લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી: ઊર્જા સંગ્રહની નવી ક્ષિતિજ અને તેની પડકારજનક સફર

આજના ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને સ્માર્ટફોનના યુગમાં ઊર્જાનો સંગ્રહ એ સૌથી મોટો પડકાર છે. અત્યારે આપણે જે લિથિયમ-આયન (Lithium-ion) બેટરીઓ વાપરીએ છીએ, તે તેની મર્યાદાએ પહોંચી રહી છે. આ સ્થિતિમાં વૈજ્ઞાનિકોનું ધ્યાન લિથિયમ-સલ્ફર (Lithium-sulfur અથવા Li–S) બેટરી તરફ ગયું છે. આ બેટરી માત્ર હલકી જ નથી, પરંતુ તે લિથિયમ-આયન કોષો કરતા ઘણી વધારે ઊર્જા સંગ્રહિત કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. લિથિયમનું ઓછું પરમાણુ વજન અને સલ્ફરનું મધ્યમ પરમાણુ વજન આ બેટરીને પાણી જેવી ઘનતા આપે છે, જે તેને વજનમાં અત્યંત હળવી બનાવે છે. વિકિપીડિયા અને અન્ય સમાચાર સ્ત્રોતો મુજબ, લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં ઊર્જા ઘનતા (energy density) એટલી વધારે છે કે તે ભવિષ્યમાં લિથિયમ-આયનનું સ્થાન લઈ શકે છે.

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીનો ઇતિહાસ ઘણો જૂનો છે. તેની શોધ ૧૯૬૦ના દાયકામાં હર્બર્ટ અને ઉલામ દ્વારા કરવામાં આવી હતી. તેમણે લિથિયમ એનોડ અને સલ્ફર કેથોડનો ઉપયોગ કરીને પ્રાથમિક બેટરીની પેટન્ટ મેળવી હતી. ૧૯૮૦ના દાયકાના અંત સુધીમાં, ઇથર (ether) આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરીને રિચાર્જેબલ લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીનું પ્રદર્શન કરવામાં આવ્યું હતું. આ ટેકનોલોજીની ક્ષમતાનો અંદાજ એ વાત પરથી લગાવી શકાય છે કે ઓગસ્ટ ૨૦૦૮માં 'Zephyr 6' નામના સૌર ઊર્જાથી ચાલતા માનવરહિત વિમાને સૌથી લાંબી અને સૌથી વધુ ઊંચાઈ પર ઉડાન ભરી હતી, જેમાં લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીનો ઉપયોગ થયો હતો.

આ બેટરીની કાર્યપદ્ધતિ સમજવા માટે આપણે તેના રાસાયણિક માળખાને જોવું પડે. લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં એનોડ (anode) તરીકે ધાતુમય લિથિયમનો ઉપયોગ થાય છે, જ્યારે કેથોડ (cathode) તરીકે સલ્ફર (S8) હોય છે. જ્યારે બેટરી ડિસ્ચાર્જ થાય છે, ત્યારે એનોડની સપાટી પરથી લિથિયમ ઓગળે છે અને ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત કરે છે. આ પ્રક્રિયાને ઓક્સિડેશન કહેવામાં આવે છે. બીજી તરફ, કેથોડ પર સલ્ફર આ લિથિયમ આયનો સાથે જોડાઈને લિથિયમ સલ્ફાઇડ (Li2S) બનાવે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઊર્જા મુક્ત થાય છે જેનો આપણે ઉપયોગ કરીએ છીએ. ચાર્જિંગ વખતે આ પ્રક્રિયા ઉલટી થાય છે અને લિથિયમ ફરીથી એનોડ પર જમા થાય છે.

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીની સૌથી મોટી વિશેષતા તેની સંગ્રહ ક્ષમતા છે. પરંપરાગત લિથિયમ-આયન બેટરીમાં લિથિયમ આયનો એનોડ અને કેથોડના માળખામાં ગોઠવાય છે (intercalation), જેમાં દરેક યજમાન પરમાણુ દીઠ માત્ર ૦.૫ થી ૦.૭ લિથિયમ આયનો જ રહી શકે છે. તેની સરખામણીમાં, લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીમાં દરેક સલ્ફર પરમાણુ બે લિથિયમ આયનોને સમાવી શકે છે. આ કારણે તેની સૈદ્ધાંતિક વિશિષ્ટ ઊર્જા (theoretical specific energy) આશરે ૨૬૦૦ Wh/kg છે. જોકે, વ્યવહારિક રીતે અત્યારે ૪૦૦-૪૫૦ Wh/kg સુધીની ક્ષમતા હાંસલ કરી શકાઈ છે, જે હજુ પણ લિથિયમ-આયન કરતા ઘણી વધારે છે.

પરંતુ આ ટેકનોલોજી વ્યાપક સ્તરે ઉપલબ્ધ ન થવા પાછળ કેટલાક ગંભીર ટેકનિકલ પડકારો છે. સૌથી મોટો પડકાર 'પોલિસલ્ફાઇડ શટલ' (polysulfide shuttle) ઇફેક્ટ છે. ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન સલ્ફર સીધો લિથિયમ સલ્ફાઇડમાં રૂપાંતરિત થતો નથી, પરંતુ તે મધ્યવર્તી તબક્કાઓમાંથી પસાર થાય છે જેને લિથિયમ પોલિસલ્ફાઇડ્સ (Li2Sx) કહેવામાં આવે છે. આ પોલિસલ્ફાઇડ્સ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે અને કેથોડમાંથી લીક થઈને એનોડ તરફ વહે છે. ત્યાં તેઓ ફરીથી પ્રક્રિયા કરે છે અને પાછા કેથોડ તરફ આવે છે. આ સતત ચાલતી પ્રક્રિયાને કારણે કેથોડમાંથી સક્રિય સામગ્રી ઓછી થતી જાય છે, જેનાથી બેટરીનું આયુષ્ય ઘટે છે અને તે ઝડપથી ડિસ્ચાર્જ થઈ જાય છે.

બીજો મોટો અવરોધ સલ્ફરની ઓછી વાહકતા (conductivity) છે. સલ્ફર કુદરતી રીતે અવાહક છે, તેથી વીજળીના પ્રવાહને વહેવડાવવા માટે તેમાં કાર્બન જેવા વાહક પદાર્થો ઉમેરવા પડે છે. આ ઉપરાંત, જ્યારે સલ્ફર લિથિયમ સાથે પ્રક્રિયા કરે છે, ત્યારે તેના કદમાં આશરે ૮૦% જેટલો વધારો થાય છે. આ કદમાં થતો ફેરફાર કેથોડ પર ભારે યાંત્રિક દબાણ લાવે છે, જેના કારણે બેટરીના આંતરિક ભાગોને નુકસાન થાય છે અને કાર્બન તથા સલ્ફર વચ્ચેનો સંપર્ક તૂટી જાય છે. આ સમસ્યાઓના ઉકેલ માટે વૈજ્ઞાનિકો કાર્બન નેનોફાઇબર્સ અને ખાસ પ્રકારના કોટિંગ પર સંશોધન કરી રહ્યા છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (electrolyte) પણ આ બેટરીમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં વપરાતા સામાન્ય કાર્બોનેટ આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અહીં કામ કરતા નથી, કારણ કે તેઓ પોલિસલ્ફાઇડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને બેટરીને નુકસાન પહોંચાડે છે. તેના બદલે, ખાસ પ્રકારના ઇથર આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. હાલમાં વૈજ્ઞાનિકો સોલિડ-સ્ટેટ (solid-state) ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પર પણ કામ કરી રહ્યા છે, જે પોલિસલ્ફાઇડ શટલ ઇફેક્ટને સંપૂર્ણપણે અટકાવી શકે છે. NASA અત્યારે 'SABERS' નામનો પ્રોજેક્ટ ચલાવી રહ્યું છે, જે ઇલેક્ટ્રિક એરક્રાફ્ટ અને સ્પેસક્રાફ્ટ માટે સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી વિકસાવી રહ્યું છે.

લિથિયમ-સલ્ફર બેટરીને વ્યાપારી ધોરણે સફળ બનાવવા માટે કેટલાક ચોક્કસ લક્ષ્યાંકો નક્કી કરવામાં આવ્યા છે. કંપનીની જાહેરાતો અને સંશોધનો મુજબ, કેથોડમાં સલ્ફરનું પ્રમાણ ૫ mg/cm2 થી વધુ હોવું જોઈએ અને કાર્બનનું પ્રમાણ ૫% થી ઓછું હોવું જોઈએ. આ ઉપરાંત, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને સલ્ફરનો ગુણોત્તર (E/S ratio) પણ મર્યાદિત રાખવો જરૂરી છે. જો આ માપદંડો સંતોષાય, તો જ બેટરીની કિંમત ઓછી અને કાર્યક્ષમતા વધુ રહી શકે છે. ૨૦૧૭માં ૧૫૦૦ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ સાયકલ ધરાવતી બેટરીનું પ્રદર્શન કરવામાં આવ્યું હતું, પરંતુ વ્યાપારી સ્તરે તેનું પરીક્ષણ હજુ બાકી છે.

ભારત જેવા દેશ માટે લિથિયમ-સલ્ફર બેટરી ખૂબ જ મહત્વની સાબિત થઈ શકે છે. સલ્ફર એ ખૂબ જ સસ્તો અને વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ પદાર્થ છે, જે બેટરીની કિંમતમાં મોટો ઘટાડો લાવી શકે છે. જો આ ટેકનોલોજી સફળ થાય, તો ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની રેન્જ અત્યાર કરતા બમણી થઈ શકે છે અને તેની કિંમત સામાન્ય પેટ્રોલ વાહનો જેટલી જ થઈ શકે છે. જોકે, હજુ પણ પોલિસલ્ફાઇડ શટલ અને કદમાં થતા ફેરફાર જેવી સમસ્યાઓના કાયમી ઉકેલ શોધવા માટે વધુ સંશોધનની જરૂર છે. આગામી દાયકામાં આપણે કદાચ લિથિયમ-આયન યુગનો અંત અને લિથિયમ-સલ્ફર યુગની શરૂઆત જોઈ શકીએ છીએ.