तरल केमिकल से ठोस क्रिस्टल तक: लिथियम बैटरी की आंतरिक संरचना और सॉलिड-स्टेट क्रांति

आधुनिक मानव सभ्यता ऊर्जा के संचय पर निर्भर है। जेब में रखे स्मार्टफोन से लेकर सड़क पर दौड़ती इलेक्ट्रिक कार तक की तमाम क्रांतियों के पीछे एक ही अदृश्य चालक बल काम कर रहा है: लिथियम-आयन बैटरी। १९९१ में जब सोनी (Sony) और असाही कासेई (Asahi Kasei) की टीम ने योशियो निशी के नेतृत्व में पहला व्यावसायिक लिथियम-आयन सेल बाजार में उतारा, तब से लेकर आज तक के तीन दशकों में इन बैटरियों की वॉल्यूमेट्रिक एनर्जी डेंसिटी (volumetric energy density: आयतन के प्रमाण में ऊर्जा संग्रहित करने की क्षमता) तीन गुना बढ़ गई है, जबकि इसका उत्पादन खर्च दस गुना घट गया है। वर्ष २०२४ के उत्तरार्ध तक वैश्विक मांग वार्षिक १ टेरावॉट-अवहर (TWh) पार कर चुकी थी, जबकि वैश्विक उत्पादन क्षमता उससे दोगुनी दर्ज की जा चुकी थी।

इस तकनीक का मूल १९७० के दशक में एम. स्टेनली व्हिटिंगहम (M. Stanley Whittingham) के अनुसंधान में निहित है, जिन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड कैथोड और लिथियम-एल्युमिनियम एनोड आधारित पहला रिचार्जेबल सेल बनाया था। इसके बाद १९८० में जॉन गुडइनफ (John Goodenough) द्वारा लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड कैथोड की खोज हुई और १९८५ में अकीरा योशिनो (Akira Yoshino) ने कार्बन आधारित एनोड विकसित करके आधुनिक लिथियम-आयन बैटरी की मजबूत नींव रखी। विज्ञान जगत के इस मील के पत्थर जैसे योगदान के लिए इन तीनों वैज्ञानिकों को २०१९ का रसायनशास्त्र का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया था। सामान्यतः ३.६ या ३.७ वोल्ट (V) का नॉमिनल वोल्टेज देने वाले ये सेल आज उद्योगों की रीढ़ बन गए हैं।

लिथियम-आयन बैटरी की आंतरिक संरचना और 'रॉकिंग-चेयर' मैकेनिज्म

लिथियम-आयन बैटरी को अक्सर यूरोपीय औद्योगिक परिभाषा में 'रॉकिंग-चेयर' (rocking-chair) या 'स्विंग' बैटरी कहा जाता है, क्योंकि ऊर्जा के संचय और मुक्ति के दौरान लिथियम आयन दो इलेक्ट्रोडों के बीच लगातार झूले की तरह डोलते रहते हैं। बैटरी के मुख्य दो ध्रुव होते हैं: धन ध्रुव यानी कैथोड (cathode) और ऋण ध्रुव यानी एनोड (anode)। ये दोनों इलेक्ट्रोड क्रिस्टलीय जालीदार ढांचा रखते हैं, जिसमें लिथियम आयन अंदर प्रवेश कर सकते हैं और बाहर निकल सकते हैं; इस भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया को इंटरकेलेशन (intercalation) कहा जाता है।

व्यावसायिक सेल में ऋण ध्रुव ज्यादातर ग्रेफाइट (graphite) का बना होता है, जिसमें कभी-कभी क्षमता बढ़ाने के लिए सिलिकॉन मिलाया जाता है। धन ध्रुव के लिए लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2), लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) या लिथियम निकेल मैंगनीज कोबाल्ट ऑक्साइड (NMC) जैसे यौगिकों का उपयोग किया जाता है। इन इलेक्ट्रोडों के पीछे करंट कलेक्टर (current collector) के रूप में धातु की पतली पट्टियां चिपकाई जाती हैं; एनोड के लिए तांबा (copper) का उपयोग किया जाता है क्योंकि लिथियम तांबे के साथ मिश्र धातु नहीं बनाता है, जबकि कैथोड के लिए एल्युमिनियम (aluminium) का उपयोग किया जाता है क्योंकि वह इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में निष्क्रिय सुरक्षात्मक परत बनाता है।

जब बैटरी डिस्चार्ज होती है, तब एनोड पर ऑक्सीकरण अर्ध-प्रक्रिया होने से लिथियम आयन मुक्त होते हैं और इलेक्ट्रॉन छूटते हैं। ये इलेक्ट्रॉन बैटरी के आंतरिक माध्यम से गुजर नहीं सकते, इसलिए वे बाहरी वायरिंग से बहकर मोटर या बल्ब को ऊर्जा प्रदान करते हैं। उसी समय धन आवेशित लिथियम आयन (Li+) कार्बनिक कार्बोनेट घोल में घुले हुए लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6) जैसे तरल इलेक्ट्रोलाइट और सेपरेटर (separator) से गुजरकर कैथोड की ओर जाते हैं। चार्जिंग के समय बाहरी पावर स्रोत सेल के अपने वोल्टेज से अधिक ओवर-वाल्टेज देकर इस प्रक्रिया को उलट देता है।

चार्जिंग की मानक पद्धति को सीसी/सीवी (CC/CV - Constant Current / Constant Voltage) कहा जाता है। पहले चरण में चार्जर लगातार स्थिर करंट देता है और वोल्टेज धीरे-धीरे बढ़ता है। जब सेल अधिकतम सुरक्षित वोल्टेज पर पहुँचता है, तब सिस्टम कॉन्स्टेंट वोल्टेज मोड में प्रवेश करता है, जिसमें वोल्टेज स्थिर रहता है और धीरे-धीरे विद्युत प्रवाह घटकर न्यूनतम सीमा तक पहुँचने पर चार्जिंग पूर्ण होती है।

सुरक्षा, थर्मल प्रबंधन और सेल्फ-डिस्चार्ज के आंकड़े

लिथियम-आयन बैटरी प्रचंड ऊर्जा रखती है, लेकिन इसके साथ कुछ रासायनिक सीमाएँ भी जुड़ी हुई हैं। रसायनशास्त्र के नियम के अनुसार प्रत्येक ग्राम लिथियम 13,901 कूलम्ब (Coulombs) आवेश प्रस्तुत करता है। 3 वोल्ट के स्तर पर यह क्षमता 1 किलोग्राम शुद्ध लिथियम प्रति 11.6 किलोवाट-अवर (kWh) ऊर्जा के बराबर होती है, जो पेट्रोल के दहन से मिलने वाली गर्मी से भी थोड़ी ज्यादा है। इतनी सघन ऊर्जा रखने वाले सेल में यदि तरल इलेक्ट्रोलाइट अधिक गर्मी पकड़ ले तो वह ज्वलनशील होने के कारण आग या विस्फोट का जोखिम पैदा करता है।

बैटरी की आयु और कार्यक्षमता तापमान पर अत्यंत संवेदनशील होती है। लिथियम सेल 5 से 45 डिग्री सेल्सियस तापमान के बीच सर्वश्रेष्ठ रूप से फास्ट-चार्ज हो सकते हैं। 0 से 5 डिग्री सेल्सियस के बीच चार्जिंग करंट घटाना पड़ता है, जबकि 0 डिग्री से नीचे चार्ज करते समय आंतरिक प्रतिरोध से उत्पन्न होने वाली थोड़ी गर्मी ही फायदेमंद होती है। यदि 45 डिग्री सेल्सियस से अधिक ऊंचे तापमान पर लंबा समय चार्जिंग चालू रहे तो सेल की आंतरिक संरचना तेजी से क्षीण होती है। इसके अलावा अतिशय ओवरचार्जिंग 5.2 वोल्ट तक पहुँच जाए तो कैथोड से कोबाल्ट डाइऑक्साइड छूटकर विनाशकारी प्रतिक्रियाएँ बुलावा दे सकती है।

उपयोग के बिना पड़ी रहने वाली बैटरी भी अपने आप ऊर्जा खोती है, जिसे सेल्फ-डिस्चार्ज (self-discharge) कहा जाता है। निर्माता आमतौर पर लिथियम-आयन बैटरी का मासिक सेल्फ-डिस्चार्ज दर 1.5% से 2% बताते हैं। हालांकि यह दर आसपास के तापमान के साथ सीधा संबंध रखती है।

१९९९ के एक अध्ययन के अनुसार २१ डिग्री सेल्सियस तापमान पर महीने का सेल्फ-डिस्चार्ज ८% दर्ज किया गया था, जो ४० डिग्री पर बढ़कर १५% और ६० डिग्री पर पहुँचने पर ३१% जितना चिंताजनक हो गया था। २०१६ तक हुए तकनीकी सुधारों के बाद यह दर २% से ३% पर नियंत्रित हुई है, जो पुरानी निकल-कैडमियम (NiCd) बैटरियों के १०% या पुरानी निकल-मेटल हाइड्राइड (NiMH) बैटरियों के ३०% से कहीं बेहतर है।

सॉलिड-स्टेट क्रांति: तरल इलेक्ट्रोलाइट से मुक्ति क्यों आवश्यक है?

लिथियम-आयन बैटरियों की ज्वलनशील प्रकृति और ऊर्जा घनत्व की सर्वोच्च सीमा से पार पाने के लिए वैज्ञानिक अब सॉलिड-स्टेट बैटरी (Solid-State Battery - SSB) की ओर मुड़े हैं। सॉलिड-स्टेट बैटरी में तरल कार्बनिक घोल या जेल के स्थान पर पूरी तरह से ठोस पदार्थ का इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग होता है। यह ठोस इलेक्ट्रोलाइट एक आदर्श सेपरेटर के रूप में भी काम करता है, जो केवल लिथियम आयनों को ही आर-पार जाने देता है और शॉर्ट-सर्किट रोकता है।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट का इतिहास रोचक है। माइकल फैराडे ने १८३१ से १८३४ के दौरान सिल्वर सल्फाइड और लेड(II) फ्लोराइड जैसे ठोस यौगिक खोज निकाले थे, जो गर्म होने पर विद्युतवाहक बनते थे। इसके बाद १९६७ में फोर्ड मोटर कंपनी और जापान की एनजीके (NGK) द्वारा सोडियम/बीटा-एल्युमिना सिस्टम पर काम हुआ, परंतु उसके लिए ३०० डिग्री सेल्सियस से अधिक ऊंचे तापमान की आवश्यकता पड़ती थी। १९९० के दशक में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी (Oak Ridge National Laboratory) ने लिथियम-फास्फोरस ऑक्सिनाइट्राइड (LiPON) ठोस इलेक्ट्रोलाइट बनाया, जो पतली फिल्म वाली बैटरियों में सफल रहा परंतु उसकी क्षमता कम थी।

वास्तविक परिवर्तन २०११ में आया जब कामया और उनकी टीम ने Li10GeP2S12 (LGPS) नामक सल्फाइड आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट विकसित किया। यह द्रव्य कमरे के तापमान पर तरल इलेक्ट्रोलाइट जितनी या उससे भी अधिक आयनिक चालकता (ionic conductivity) देने में सक्षम था। इस खोज के बाद इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरी का व्यावहारिक अनुसंधान तेज हुआ।

द्रव्य विज्ञान और उन्नत रसायन शास्त्र

सॉलिड-स्टेट बैटरियों में मुख्य रूप से तीन श्रेणियों के ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स पर अनुसंधान चल रहा है: ऑक्साइड्स, सल्फाइड्स और क्लोराइड्स। ऑक्साइड श्रेणी में गार्नेट प्रकार का LLZO (Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12), पेरोवस्काइट प्रकार का LLTO, साथ ही LATP और LAGP जाने-माने हैं। लिथियम धातु के सामने थर्मल स्थिरता की दृष्टि से LAGP की तुलना में LATP, उससे अधिक LLTO और सबसे उत्कृष्ट स्थिरता LLZO प्रदर्शित करता है।

हाल के वर्षों में क्लोराइड सुपरआयनिक कंडक्टर्स (Chloride superionic conductors) भारी आशाजनक साबित हुए हैं। झोउ और साथियों द्वारा विकसित Li2InxSc0.666-xCl4 क्लोराइड इलेक्ट्रोलाइट २.० मिलीसिमन्स प्रति सेंटीमीटर (mS cm−1) जितनी ऊंची आयनिक चालकता रखता है, जो कैथोड पर अतिरिक्त सुरक्षात्मक कोटिंग के बिना काम कर सकता है। इसी तरह, सस्ता विकल्प माना जाने वाला Li2ZrCl6 इलेक्ट्रोलाइट ०.८१ mS cm−1 चालकता के साथ नमी के प्रति उच्च सहिष्णुता प्रदर्शित करता है।

कैथोड सामग्री में लिथियम-सल्फर (Li–S) सिस्टम सैद्धांतिक रूप से १,६७० मिलीएम्पियर-घंटा प्रति ग्राम (mAh/g) की प्रचंड स्पेसिफिक कपैसिटी देता है, जो पारंपरिक LiCoO2 से दस गुना अधिक है। तरल बैटरी में सल्फर घुल जाने के कारण बेकार साबित होता था, लेकिन ठोस माध्यम में यह उत्तम परिणाम देता है। एनोड क्षेत्र में डेरेन एच.एस. टैन और उनकी टीम ने ९९.९% शुद्ध माइक्रो-सिलिकॉन (μSi) एनोड और NCM811 कैथोड के साथ सॉलिड-स्टेट सेल तैयार किया था। यह सेल -२० डिग्री से ८० डिग्री सेल्सियस तक कार्यरत रहकर ५ mA cm−2 के भारी करंट डेंसिटी पर ५०० साइकिल के बाद भी ८०% क्षमता बनाए रखने में सफल रहा था।

ऑटोमोबाइल उद्योग और व्यावसायीकरण की चुनौतियाँ

इलेक्ट्रिक वाहनों (EV) के लिए सॉलिड-स्टेट बैटरी वजन में हल्की होने के कारण कार का कुल वजन घटाएगी और सिंगल चार्ज में ड्राइविंग रेंज में भारी वृद्धि करेगी। यह क्षमता देखते हुए विश्वभर की वाहन उत्पादक कंपनियाँ रेस में उतरी हैं। २०१२ से इस क्षेत्र में अग्रसर रही टोयोटा (Toyota) के पास २०१९ तक सॉलिड-स्टेट बैटरी के सबसे अधिक पेटेंट थे। फोक्सवैगन ने क्वांटमस्केप (QuantumScape) के साथ हाथ मिलाया है, जबकि बीएमडब्ल्यू (BMW) और फोर्ड ने सॉलिड पावर (Solid Power) के साथ भागीदारी की है। होंडा ने २०२४ की शुरुआत में ऑल-सॉलिड-स्टेट डेमोंस्ट्रेशन लाइन शुरू करने की घोषणा की थी और निसान २०२८ तक अपने इन-हाउस सेल के साथ ईवी लॉन्च करने का लक्ष्य रखती है।

हालाँकि, प्रयोगशाला के उत्कृष्ट परिणामों और फैक्टरी के गीगावाट-घौर (GWh) स्केल के उत्पादन के बीच बड़ा अंतर है। प्रोलोजियम (ProLogium), वीलायन (WeLion), क्वांटमस्केप और स्टोरडॉट (StoreDot) जैसी कंपनियों ने २०२० से २०२४ के बीच गीगावाट स्केल उत्पादन की घोषणाएँ की थीं, लेकिन जनवरी २०२६ की स्थिति से बड़े पैमाने पर व्यावसायिक स्केलेबिलिटी अभी पूरी तरह सिद्ध नहीं हो पाई है। टोयोटा ने भी जून २०२३ में स्पष्ट किया था कि वह निकट भविष्य में व्यापक व्यावसायिक उपयोग स्थगित रखेगी।

इस धीमी गति के पीछे ठोस इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड के बीच का भौतिक संपर्क (interface resistance) है। बैटरी चार्ज और डिस्चार्ज हो तब इलेक्ट्रोड्स का आकार फैलता है और सिकुड़ता है, जिसके कारण ठोस सतहों के बीच दरारें पड़ती हैं और आयनों का प्रवाह अवरुद्ध होता है। जब तक औद्योगिक उत्पादन लागत घटेगी नहीं और इस इंटरफ़ेस समस्या का यांत्रिक समाधान नहीं मिलेगा, तब तक वर्तमान लिक्विड लिथियम-आयन बैटरियाँ ही बाजार पर राज करेंगी। परंतु विज्ञान की प्रगति देखते हुए इतना तय है कि कल की स्वच्छ ऊर्जा क्रांति ठोस स्फटकों के भरोसे ही आगे बढ़ेगी।