પ્રવાહી કેમિકલથી ઘન સ્ફટિક સુધી: લિથિયમ બેટરીની અંતરંગ રચના અને સોલિડ-સ્ટેટ ક્રાંતિ

આધુનિક માનવ સભ્યતા ઊર્જાના સંગ્રહ પર નિર્ભર છે. ખિસ્સામાં રહેલા સ્માર્ટફોનથી લઈને રસ્તા પર દોડતી ઈલેક્ટ્રિક કાર સુધીની તમામ ક્રાંતિ પાછળ એક જ અદ્રશ્ય ચાલક બળ કામ કરી રહ્યું છે: લિથિયમ-આયન બેટરી. ૧૯૯૧માં જ્યારે સોની (Sony) અને અસાહી કાસેઈ (Asahi Kasei)ની ટીમે યોશિયો નિશીના નેતૃત્વ હેઠળ પ્રથમ વ્યાવસાયિક લિથિયમ-આયન સેલ બજારમાં મૂક્યો, ત્યારથી લઈને આજ સુધીના ત્રણ દાયકામાં આ બેટરીઓની વોલ્યુમેટ્રિક એનર્જી ડેન્સિટી (volumetric energy density: કદના પ્રમાણમાં ઊર્જા સંગ્રહવાની ક્ષમતા) ત્રણ ગણી વધી છે, જ્યારે તેનો ઉત્પાદન ખર્ચ દસ ગણો ઘટી ગયો છે. વર્ષ ૨૦૨૪ના ઉત્તરાર્ધ સુધીમાં વૈશ્વિક માંગ વાર્ષિક ૧ ટેરાવોટ-અવર (TWh) વટાવી ગઈ હતી, જ્યારે વૈશ્વિક ઉત્પાદન ક્ષમતા તેના કરતાં બમણી નોંધાઈ ચૂકી હતી.

આ ટેકનોલોજીનું મૂળ ૧૯૭૦ના દાયકામાં એમ. સ્ટેનલી વ્હીટિંગહામ (M. Stanley Whittingham)ના સંશોધનમાં રહેલું છે, જેમણે ટાઈટેનિયમ ડાઈસલ્ફાઈડ કેથોડ અને લિથિયમ-એલ્યુમિનિયમ એનોડ આધારિત પ્રથમ રિચાર્જેબલ સેલ બનાવ્યો હતો. ત્યારબાદ ૧૯૮૦માં જોન ગુડઇનફ (John Goodenough) દ્વારા લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઈડ કેથોડની શોધ થઈ અને ૧૯૮૫માં અકીરા યોશિનો (Akira Yoshino)એ કાર્બન આધારિત એનોડ વિકસાવીને આધુનિક લિથિયમ-આયન બેટરીનો મજબૂત પાયો નાખ્યો. વિજ્ઞાન જગતના આ સીમાચિહ્નરૂપ પ્રદાન બદલ આ ત્રણેય વૈજ્ઞાનિકોને ૨૦૧૯નું રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું. સામાન્ય રીતે ૩.૬ કે ૩.૭ વોલ્ટ (V)નું નોમિનલ વોલ્ટેજ આપતા આ સેલ આજે ઉદ્યોગોની કરોડરજ્જુ બની ગયા છે.

લિથિયમ-આયન બેટરીની આંતરિક રચના અને 'રોકિંગ-ચેર' મિકેનિઝમ

લિથિયમ-આયન બેટરીને ઘણીવાર યુરોપિયન ઔદ્યોગિક પરિભાષામાં 'રોકિંગ-ચેર' (rocking-chair) અથવા 'સ્વિંગ' બેટરી કહેવામાં આવે છે, કારણ કે ઊર્જાના સંગ્રહ અને મુક્તિ દરમિયાન લિથિયમ આયનો બે ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે સતત ઝૂલાની જેમ હિંચોળા ખાય છે. બેટરીના મુખ્ય બે ધ્રુવો હોય છે: ધન ધ્રુવ એટલે કે કેથોડ (cathode) અને ઋણ ધ્રુવ એટલે કે એનોડ (anode). આ બંને ઇલેક્ટ્રોડ્સ સ્ફટિકીય જાળીદાર માળખું ધરાવે છે, જેમાં લિથિયમ આયનો અંદર પ્રવેશી શકે છે અને બહાર નીકળી શકે છે; આ ભૌતિક-રાસાયણિક પ્રક્રિયાને ઇન્ટરકેલેશન (intercalation) કહેવામાં આવે છે.

વ્યાવસાયિક સેલમાં ઋણ ધ્રુવ મોટે ભાગે ગ્રેફાઇટ (graphite)નો બનેલો હોય છે, જેમાં ક્યારેક ક્ષમતા વધારવા સિલિકોન મિશ્રિત કરવામાં આવે છે. ધન ધ્રુવ માટે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiCoO2), લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LiFePO4) અથવા લિથિયમ નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (NMC) જેવા સંયોજનો વપરાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોડ્સની પાછળ કરન્ટ કલેક્ટર (current collector) તરીકે ધાતુની પાતળી પટ્ટીઓ ચોંટાડેલી હોય છે; એનોડ માટે તાંબુ (copper) વપરાય છે કારણ કે લિથિયમ તાંબા સાથે મિશ્રધાતુ બનાવતું નથી, જ્યારે કેથોડ માટે એલ્યુમિનિયમ (aluminium) વપરાય છે કારણ કે તે ઇલેક્ટ્રોલાઇટના સંપર્કમાં નિષ્ક્રિય રક્ષણાત્મક પડ બનાવે છે.

જ્યારે બેટરી ડિસ્ચાર્જ થાય છે, ત્યારે એનોડ પર ઓક્સિડેશન અર્ધ-પ્રક્રિયા થવાથી લિથિયમ આયનો મુક્ત થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોન છૂટા પડે છે. આ ઇલેક્ટ્રોન બેટરીના આંતરિક માધ્યમમાંથી પસાર થઈ શકતા નથી, તેથી તેઓ બાહ્ય વાયરિંગમાંથી વહીને મોટર કે બલ્બને ઊર્જા પૂરી પાડે છે. તે જ સમયે ધન વીજભારિત લિથિયમ આયનો (Li+) કાર્બનિક કાર્બોનેટ દ્રાવણમાં ઓગળેલા લિથિયમ હેક્સાફ્લોરોફોસ્ફેટ (LiPF6) જેવા પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને સેપરેટર (separator)માંથી પસાર થઈને કેથોડ તરફ જાય છે. ચાર્જિંગ વખતે બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત સેલના પોતાના વોલ્ટેજ કરતાં વધુ ઓવર-વોલ્ટેજ આપીને આ પ્રક્રિયાને ઉલટાવી નાખે છે.

ચાર્જિંગની પ્રમાણભૂત પદ્ધતિને સીસી/સીવી (CC/CV - Constant Current / Constant Voltage) કહેવામાં આવે છે. પ્રથમ તબક્કામાં ચાર્જર સતત સ્થિર કરન્ટ આપે છે અને વોલ્ટેજ ધીમે ધીમે વધે છે. જ્યારે સેલ મહત્તમ સુરક્ષિત વોલ્ટેજ પર પહોંચે છે, ત્યારે સિસ્ટમ કોન્સ્ટન્ટ વોલ્ટેજ મોડમાં પ્રવેશે છે, જેમાં વોલ્ટેજ સ્થિર રહે છે અને ધીમે ધીમે વીજપ્રવાહ ઘટીને ન્યૂનતમ મર્યાદા સુધી પહોંચતાં ચાર્જિંગ પૂર્ણ થાય છે.

સલામતી, થર્મલ વ્યવસ્થાપન અને સેલ્ફ-ડિસ્ચાર્જના આંકડા

લિથિયમ-આયન બેટરી પ્રચંડ ઊર્જા ધરાવે છે, પરંતુ તેની સાથે કેટલીક રાસાયણિક મર્યાદાઓ પણ જોડાયેલી છે. રસાયણશાસ્ત્રના નિયમ મુજબ પ્રત્યેક ગ્રામ લિથિયમ ૧૩,૯૦૧ કુલંબ (Coulombs) વીજભાર રજૂ કરે છે. ૩ વોલ્ટના સ્તરે આ ક્ષમતા ૧ કિલોગ્રામ શુદ્ધ લિથિયમ દીઠ ૧૧.૬ કિલોવોટ-અવર (kWh) ઊર્જા બરાબર થાય છે, જે પેટ્રોલના દહનથી મળતી ગરમી કરતાં પણ થોડી વધારે છે. આટલી સઘન ઊર્જા ધરાવતા સેલમાં જો પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વધુ પડતી ગરમી પકડે તો તે જ્વલનશીલ હોવાથી આગ કે વિસ્ફોટનું જોખમ ઊભું કરે છે.

બેટરીનું આયુષ્ય અને કાર્યક્ષમતા તાપમાન પર અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે. લિથિયમ સેલ ૫ થી ૪૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાન વચ્ચે શ્રેષ્ઠ રીતે ફાસ્ટ-ચાર્જ થઈ શકે છે. ૦ થી ૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસ વચ્ચે ચાર્જિંગ કરન્ટ ઘટાડવો પડે છે, જ્યારે ૦ ડિગ્રીથી નીચે ચાર્જ કરતી વખતે આંતરિક અવરોધથી ઉત્પન્ન થતી થોડી ગરમી જ ફાયદાકારક બને છે. જો ૪૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ ઊંચા તાપમાને લાંબો સમય ચાર્જિંગ ચાલુ રહે તો સેલનું આંતરિક બંધારણ ઝડપથી ક્ષીણ થાય છે. આ ઉપરાંત અતિશય ઓવરચાર્જિંગ ૫.૨ વોલ્ટ સુધી પહોંચે તો કેથોડમાંથી કોબાલ્ટ ડાયોક્સાઇડ છૂટો પડીને વિનાશક પ્રતિક્રિયાઓ નોતરી શકે છે.

વપરાશ વિના પડી રહેલી બેટરી પણ પોતાની મેળે ઊર્જા ગુમાવે છે, જેને સેલ્ફ-ડિસ્ચાર્જ (self-discharge) કહેવામાં આવે છે. ઉત્પાદકો સામાન્ય રીતે લિથિયમ-આયન બેટરીનો માસિક સેલ્ફ-ડિસ્ચાર્જ દર ૧.૫% થી ૨% જણાવે છે. જોકે આ દર આસપાસના તાપમાન સાથે સીધો સંબંધ ધરાવે છે.

૧૯૯૯ના એક અભ્યાસ મુજબ ૨૧ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને મહિનાનો સેલ્ફ-ડિસ્ચાર્જ ૮% નોંધાયો હતો, જે ૪૦ ડિગ્રીએ વધીને ૧૫% અને ૬૦ ડિગ્રીએ પહોંચતાં ૩૧% જેટલો ચિંતાજનક થઈ ગયો હતો. ૨૦૧૬ સુધીમાં થયેલા ટેકનોલોજીકલ સુધારાઓ બાદ આ દર ૨% થી ૩% પર અંકુશિત થયો છે, જે જૂની નિકલ-કેડમિયમ (NiCd) બેટરીઓના ૧૦% કે જૂની નિકલ-મેટલ હાઇડ્રાઇડ (NiMH) બેટરીઓના ૩૦% કરતાં ઘણો બહેતર છે.

સોલિડ-સ્ટેટ ક્રાંતિ: પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટથી મુક્તિ શા માટે જરૂરી?

લિથિયમ-આયન બેટરીઓની જ્વલનશીલ પ્રકૃતિ અને ઊર્જા ઘનતાની સર્વોચ્ચ મર્યાદાને પહોંચી વળવા માટે વિજ્ઞાનીઓ હવે સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી (Solid-State Battery - SSB) તરફ વળ્યા છે. સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીમાં પ્રવાહી કાર્બનિક દ્રાવણ કે જેલના સ્થાને સંપૂર્ણપણે ઘન પદાર્થનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. આ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એક આદર્શ સેપરેટર તરીકે પણ કામ કરે છે, જે માત્ર લિથિયમ આયનોને જ આરપાર જવા દે છે અને શોર્ટ-સર્કિટ અટકાવે છે.

ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઇતિહાસ રસપ્રદ છે. માઈકલ ફેરાડેએ ૧૮૩૧ થી ૧૮૩૪ દરમિયાન સિલ્વર સલ્ફાઈડ અને લેડ(II) ફ્લોરાઈડ જેવા ઘન સંયોજનો શોધી કાઢ્યા હતા, જે ગરમ થતાં વીજવાહક બનતા હતા. ત્યારબાદ ૧૯૬૭માં ફોર્ડ મોટર કંપની અને જાપાનની એનજીકે (NGK) દ્વારા સોડિયમ/બીટા-એલ્યુમિના સિસ્ટમ પર કામ થયું, પરંતુ તે માટે ૩૦૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ ઊંચા તાપમાનની જરૂર પડતી હતી. ૧૯૯૦ના દાયકામાં ઓક રિજ નેશનલ લેબોરેટરી (Oak Ridge National Laboratory)એ લિથિયમ-ફોસ્ફરસ ઓક્સીનાઇટ્રાઇડ (LiPON) ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બનાવ્યો, જે પાતળી ફિલ્મવાળી બેટરીઓમાં સફળ રહ્યો પરંતુ તેની ક્ષમતા ઓછી હતી.

વાસ્તવિક પરિવર્તન ૨૦૧૧માં આવ્યું જ્યારે કામયા અને તેમની ટીમે Li10GeP2S12 (LGPS) નામનો સલ્ફાઇડ આધારિત ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિકસાવ્યો. આ દ્રવ્ય ઓરડાના તાપમાને પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ જેટલી કે તેનાથી પણ વધુ આયનિક વાહકતા (ionic conductivity) આપવા સક્ષમ હતું. આ શોધ પછી ઇલેક્ટ્રિક વાહનો માટે સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીનું વ્યવહારુ સંશોધન તેજ બન્યું.

દ્રવ્ય વિજ્ઞાન અને અદ્યતન રસાયણશાસ્ત્ર

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીઓમાં મુખ્યત્વે ત્રણ કેટેગરીના ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર સંશોધન ચાલી રહ્યું છે: ઓક્સાઇડ્સ, સલ્ફાઇડ્સ અને ક્લોરાઇડ્સ. ઓક્સાઇડ શ્રેણીમાં ગાર્નેટ પ્રકારનું LLZO (Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12), પેરવોસ્કાઇટ પ્રકારનું LLTO, તેમજ LATP અને LAGP જાણીતા છે. લિથિયમ ધાતુ સામે થર્મલ સ્થિરતાની દ્રષ્ટિએ LAGP કરતાં LATP, તેનાથી વધુ LLTO અને સૌથી ઉત્કૃષ્ટ સ્થિરતા LLZO દર્શાવે છે.

તાજેતરના વર્ષોમાં ક્લોરાઇડ સુપરઆયનિક કંડક્ટર્સ (Chloride superionic conductors) ભારે આશાસ્પદ સાબિત થયા છે. ઝોઉ અને સાથીદારો દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલ Li2InxSc0.666-xCl4 ક્લોરાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ૨.૦ મિલીસિમેન્સ પ્રતિ સેન્ટીમીટર (mS cm−1) જેટલી ઊંચી આયનિક વાહકતા ધરાવે છે, જે કેથોડ પર વધારાના રક્ષણાત્મક કોટિંગ વિના કામ કરી શકે છે. તેવી જ રીતે, સસ્તો વિકલ્પ ગણાતો Li2ZrCl6 ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ૦.૮૧ mS cm−1 વાહકતા સાથે ભેજ સામે ઊંચી સહિષ્ણુતા દર્શાવે છે.

કેથોડ સામગ્રીમાં લિથિયમ-સલ્ફર (Li–S) સિસ્ટમ સૈદ્ધાંતિક રીતે ૧,૬૭૦ મિલીએમ્પિયર-કલાક પ્રતિ ગ્રામ (mAh/g)ની પ્રચંડ સ્પેસિફિક કેપેસિટી આપે છે, જે પરંપરાગત LiCoO2 કરતાં દસ ગણી વધુ છે. પ્રવાહી બેટરીમાં સલ્ફર ઓગળી જતો હોવાથી નકામો સાબિત થતો હતો, પરંતુ ઘન માધ્યમમાં તે ઉત્તમ પરિણામ આપે છે. એનોડ ક્ષેત્રે ડેરેન એચ.એસ. ટેન અને તેમની ટીમે ૯૯.૯% શુદ્ધ માઇક્રો-સિલિકોન (μSi) એનોડ અને NCM811 કેથોડ સાથે સોલિડ-સ્ટેટ સેલ તૈયાર કર્યો હતો. આ સેલ -૨૦ ડિગ્રીથી ૮૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી કાર્યરત રહીને ૫ mA cm−2 ના ભારે કરન્ટ ડેન્સિટી પર ૫૦૦ સાયકલ પછી પણ ૮૦% ક્ષમતા જાળવી રાખવામાં સફળ રહ્યો હતો.

ઓટોમોબાઇલ ઉદ્યોગ અને વ્યાવસાયિકરણના પડકારો

ઇલેક્ટ્રિક વાહનો (EV) માટે સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી વજનમાં હલકી હોવાથી કારનું કુલ વજન ઘટાડશે અને સિંગલ ચાર્જમાં ડ્રાઇવિંગ રેન્જમાં જંગી વધારો કરશે. આ ક્ષમતા જોતાં વિશ્વભરની વાહન ઉત્પાદક કંપનીઓ રેસમાં ઉતરી છે. ૨૦૧૨થી આ ક્ષેત્રે અગ્રેસર રહેલી ટોયોટા (Toyota) પાસે ૨૦૧૯ સુધીમાં સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીના સૌથી વધુ પેટન્ટ હતા. ફોક્સવેગને ક્વોન્ટમસ્કેપ (QuantumScape) સાથે હાથ મિલાવ્યા છે, જ્યારે બીએમડબલ્યુ (BMW) અને ફોર્ડે સોલિડ પાવર (Solid Power) સાથે ભાગીદારી કરી છે. હોન્ડાએ ૨૦૨૪ની શરૂઆતમાં ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ ડેમોસ્ટ્રેશન લાઇન શરૂ કરવાની જાહેરાત કરી હતી અને નિસાન ૨૦૨૮ સુધીમાં પોતાના ઇન-હાઉસ સેલ સાથે ઈવી લોન્ચ કરવાનો લક્ષ્યાંક ધરાવે છે.

જોકે, પ્રયોગશાળાના ઉત્કૃષ્ટ પરિણામો અને ફેક્ટરીના ગીગાવાટ-અવર (GWh) સ્કેલના ઉત્પાદન વચ્ચે મોટો તફાવત છે. પ્રોલોજિયમ (ProLogium), વીલાયન (WeLion), ક્વોન્ટમસ્કેપ અને સ્ટોરડોટ (StoreDot) જેવી કંપનીઓએ ૨૦૨૦થી ૨૦૨૪ વચ્ચે ગીગાવાટ સ્કેલ ઉત્પાદનની જાહેરાતો કરી હતી, પરંતુ જાન્યુઆરી ૨૦૨૬ની સ્થિતિએ મોટા પાયે વ્યાવસાયિક સ્કેલેબિલિટી હજુ પણ પૂર્ણપણે સિદ્ધ થઈ શકી નથી. ટોયોટાએ પણ જૂન ૨૦૨૩માં સ્પષ્ટતા કરી હતી કે તે નજીકના ભવિષ્યમાં વ્યાપક વ્યાવસાયિક ઉપયોગ મોકૂફ રાખશે.

આ ધીમી ગતિ પાછળ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચેનો ભૌતિક સંપર્ક (interface resistance) છે. બેટરી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ થાય ત્યારે ઇલેક્ટ્રોડ્સનું કદ વિસ્તરે છે અને સંકોચાય છે, જેના કારણે ઘન સપાટીઓ વચ્ચે તિરાડો પડે છે અને આયનોનો પ્રવાહ અવરોધાય છે. જ્યાં સુધી ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન ખર્ચ ઘટશે નહીં અને આ ઇન્ટરફેસ સમસ્યાનું યાંત્રિક સમાધાન નહીં મળે, ત્યાં સુધી વર્તમાન લિક્વિડ લિથિયમ-આયન બેટરીઓ જ બજાર પર રાજ કરશે. પરંતુ વિજ્ઞાનની પ્રગતિ જોતાં એટલું ચોક્કસ છે કે આવતીકાલની સ્વચ્છ ઊર્જા ક્રાંતિ ઘન સ્ફટિકોના ભરોસે જ આગળ વધશે.