லித்தியம் பேட்டரி ஆய்வில் கலக்கும் 100 வயது இளைஞர்

.

ஜான் குட்எனஃப் (John Goodenough). இன்று நாம் அலட்டிக் கொள்ளாமல் பயன்படுத்தும் கைபேசிகளிலும் மின்வாகனங்களிலும் உள்ள பேட்டரிகள் உருவாகப் பெரிதும் காரணமானவர். அவர் கண்டறிந்த லித்தியம் கோபால்ட் ஆக்ஸைடு (LiCoO₂) மின்தகடுகள் தான் இன்றைக்கு வரைக்கும் மிகச் சிறந்த செயல்திறன் கொண்டவை. விலை குறைவான, இன்னும் பாதுகாப்பான மூலப்பொருள் வேண்டும் என்ற தேவை ஏற்பட்ட போது, லித்தியம் இரும்பு ஃபாஸ்பேட் (LiFePO₄) என்ற சேர்மத்தை அளித்தார். இன்று வரை இந்த இரண்டு மூலப்பொருட்களைத் தான் பெரும்பாலான லித்தியம் பேட்டரிகளில் மானே தேனே போட்டு (LiCoO₂-இல் மாங்கனீசும் நிக்கலும் பல்வேறு விகிதங்களில் சேர்த்தும், LiFePO₄-இல் கார்பன் சேர்த்தும் துகள் அளவைக் குறைத்தும்) பயன்படுத்துகிறோம். அடுத்த தலைமுறையின் தேவைகளுக்கு ஏற்ற, இன்னும் பல மடங்கு அதிக செயல்திறன் கொண்ட பேட்டரிகளை உருவாக்கும் முயற்சியில் இன்னும் பணியாற்றிக் கொண்டிருக்கிறார். அன்றாடம் ஆய்வகத்துக்குச் செல்கிறார். வயது 100 தான் ஆகிறது. சொல்ல மறந்து விட்டேன். 2019-இல் நோபல் பரிசும் வாங்கி விட்டார். இவை எல்லாவற்றையும் விட, தனது சக ஆய்வாளர்களையும் மாணவர்களையும் மதிப்பவர். எண்ணற்ற ஆராய்ச்சி மாணவர்களுக்கு முன்மாதிரியாக இருப்பவர். தன்னடக்கம் மிக்க பண்பாளர். வாழ்த்துவோம்.

லித்தியம்-அயனி பேட்டரியின் வரைபடத்தை வெண்பலகையில் வடிக்கிறார் ஜான் குட்எனஃப் ¹

எல்லோரும் பணி ஓய்வு பெறும் 64 வயதில் ஆக்ஸ்போர்ட் பல்கலைக்கழகத்திலிருந்து டெக்ஸாஸ் பல்கலைக்கழகத்துக்கு மாறினார் குட்எனஃப். அலங்காரப்பதவிக்காக அல்ல. ஆராய்ச்சித் தலைவராக. அங்கு பேட்டரி மட்டுமல்லாது எரிபொருள் மின்கலம் (fuel cell), மீக்கடத்திகள் (superconductors), வினையூக்கிகள் (catalysts) என்று பல துறைகளிலும் தன் ஆய்வுகளைப் பரவலாக்கினார். கணிதத்தில் பட்டம் பெற்று, இரண்டாம் உலகப்போரில் வானிலையாளராகப் பணியாற்றி, பின்னர் இயற்பியலில் முனைவர் பட்டம் பெற்றவரான குட்எனஃப், இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் கோட்பாடுகளை ஒன்றிணைத்து இத்தகைய அறிவியல் வெற்றிகளை அடைந்தார். குட்எனஃப் அவர்களுடன் எதிர்மின் அயனிகளைக் கொண்ட சேர்மங்களில் (polyanionic materials) பணிபுரிந்தவரும், அவரது நோபல் பரிசு ஏற்புரையை வாசிக்கும் சிறப்பைப் பெற்றவருமான முனைவர் ஆறுமுகம் மந்திரம் அவர்கள் இந்த மாமனிதரின் பங்களிப்புகளைப் பற்றி விரிவானதொரு கட்டுரையை எழுதியிருக்கிறார்.²

ஜான் குட்எனஃப் மற்றும் ஆறுமுகம் மந்திரம் ²

ஜான் குட்எனஃப் அவர்களின் அறிவியல் பங்களிப்புகள் ²

சோதனைகள் இல்லாத சாதனைகளா?

ஆரம்பகால லித்தியம் பேட்டரிகளில் லித்தியம் மின்தகட்டின் வினைதிறனால் தீ பிடிக்கும் அபாயங்கள் இருந்தன. ஸ்டான்லி விட்டிங்ஹாம் (Stanley Wittingham) உருவாக்கிய இந்த பேட்டரிகளில் டைட்டானியம் டைசல்ஃபைடு நேர் மின்தகடாக இருந்தது. 2 வோல்ட் மின்சாரம் கிடைத்தது. பிறகு குட்எனஃப் இந்த பேட்டரியில் டைட்டானியம் டைசல்ஃபைடுக்குப் பதிலாக லித்தியம் கோபால்ட் ஆக்ஸைடு பயன்படுத்தினால் 4 வோல்ட் அளவிற்கு மேம்படுத்த முடியும் என்பதை நிரூபித்தார். அதாவது இரட்டிப்புச் செயல்திறன். ஆனால் லித்தியத்தின் வினைதிறன் இந்த பேட்டரிகளின் வணிகமயமாக்கலுக்குப் பெரும் தடையாகவே இருந்தது. ஜப்பானின் அகிரா யோஷினோ (Akira Yoshino) லித்தியத்துக்குப் பதிலாகக் கரிம மின்தகடுகளைப் பயன்படுத்தினால் அபாயமற்ற வகையில் லித்தியம் அயனிகளை அடிப்படையாகக் கொண்ட பேட்டரிகளை உருவாக்கலாம் என்பதைக் கண்டறிந்தார். 1991-இல் ஜப்பானின் சோனி நிறுவனம் இந்த வடிவமைப்பிலான பேட்டரிகளைச் சந்தைக்குக் கொண்டுவந்தது. பேட்டரி யுகம் பிறந்தது.

இதில், குட்எனஃப் அவர்களின் ஆராய்ச்சி உதவியாளராக இந்தியாவைச் சேர்ந்த அக்‌ஷயா பதி மற்றும் நிப்பான் நிறுவனத்தின் ஷிகெடோ ஒகடா (Shigeto Okada) ஆகியோர் பணியாற்றி வந்தனர். முக்கியமான ஆராய்ச்சிக் குறிப்புகளை ஒகடா தன் நிறுவனத்துக்கு ரகசியமாக அனுப்பி வைத்துவிட்டார். இந்த விசயம் குட்எனஃப்பிற்குத் தெரியும் முன்பே காலம் கடந்து விட்டது. நிப்பான் நிறுவனம் இந்தக் கண்டுபிடிப்புக்குக் காப்புரிமை (patent) பெற்று விட்டது.³ இதே கதை பின்னர் லித்தியம் இரும்பு பாஸ்பேட் கண்டுபிடிப்பிலும் தொடர்ந்தது. ஒரே வித்தியாசம்: முன்பு ஜப்பான். இப்போது சீனா. அறிவியல் கண்டுபிடிப்புகள் எவ்வளவு முக்கியமோ அதே அளவிற்கு அவற்றைக் காப்புரிமை பெற்று தக்க வைப்பதும் சந்தைப்படுத்துதலும் முக்கியம் என்பதற்கு இது சிறந்த பாடம்.

ஜான் குட்எனஃப் இளமைக்காலப் புகைப்படங்கள்: (இடது) உடன்பிறந்தவர்களுடன் நடுவில் இருப்பவர்; (வலது) பள்ளி கால்பந்து நண்பர்களுடன் வலமிருந்து இரண்டாமவர் ¹

எல்லாவற்றுக்கும் மேலாக, ஜான் குட்எனஃப் அவர்களின் விடாமுயற்சி, ஒழுக்கம், அறம் தவறாத அறிவியல் கண்ணோட்டம், மனித நேயம் ஆகியனவே நாம் உணர்ந்து போற்ற வேண்டியன. அதனால் தான் விட்டிங்ஹாம் மற்றும் யோஷினோ ஆகியோருடன் அவருக்கு நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது³; சந்தைப்படுத்தியவர்களுக்கு அல்ல. தாமதமாகத்தான் கொடுக்கப்பட்டது எனினும் ஒட்டுமொத்த உலகமும் கொண்டாட வேண்டிய நிகழ்வு அது. அதைவிடக் கொண்டாட வேண்டியது இந்த 100 வயது இளைஞரின் இடைவிடா அறிவியல் பயணம்.

மேற்கோள்கள்:

1. தன் வரலாறு https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/biographical/
2. ஆறுமுகம் மந்திரம் அவர்களின் கட்டுரை https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac59f7#jesac59f7f3
3. ஸ்டீவ் லெவின் எழுதிய நூல் The Powerhouse: America, China, and the Great Battery War
4. நோபெல் தளம் https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/

லித்தியன் கந்தகமாறன் – 5 மடங்கு அதிக சேமிப்புத்திறன் கொண்ட பேட்டரிகள்

சென்ற பதிவில், நடைமுறையில் உள்ள லித்தியம்-அயனி பேட்டரிகளைக் காட்டிலும் 5 மடங்கு அதிக மின் தேக்குத்திறன் கொண்ட பேட்டரிகள் பற்றி பார்க்கலாம் என்று சொல்லியிருந்தேன். இந்த முறை கொஞ்சம் புதுமையாக, ஒரு பழைய கதையுடன் தொடங்கலாம்.

மிருகண்டர் என்ற ஒரு முனிவருக்கும் மருதவதி என்ற அவரது மனைவிக்கும் குழந்தைபேறு இல்லையாம். சிவபெருமானிடம் பிள்ளை வரம் வேண்டிக்கொண்டார்களாம். மனம் இளகிய சிவன், அவர்களுக்கு வழக்கம்போல் ஒரு விசித்திரமான, சோதிக்கும் வரத்தைத் தருகிறார்.

வாய்ப்பு #1: 100 வயது வரை வாழும் குழந்தை பிறக்கும்; ஆனால் முட்டாளாக வாழும்.

வாய்ப்பு #2: அறிவு மிக்க குழந்தை பிறக்கும். 16 வயதினிலே இறந்துவிடும். எது வேண்டும்? இது தான் அந்த வரத்தில் இருக்கும் சாபம்.

பேட்டரி ஆராய்ச்சியிலும் இதே போல ஒரு சிக்கலான ஒரு கேள்வி இருக்கிறது. அது என்னவென்றால், ஒரு வகையான பேட்டரியை ஆயிரக்கணக்கான முறை சார்ஜ் செய்து மீண்டும் மீண்டும் பயன்படுத்தலாம். ஆனால் அதன் மின் தேக்குத்திறன் குறிப்பிட்ட அளவுக்குள்ளாகவே இருக்கும்; மெல்ல மெல்ல இந்த ஆற்றல் குறைந்து கொண்டே வரும். மற்றொரு வகையான பேட்டரி, முன்னதைக் காட்டிலும் 5 மடங்கு அதிக ஆற்றலைக் கொண்டது. ஆனால், 100 முறை மட்டுமே பயன்படும். எது வேண்டும்?

மேலே உள்ள படத்தில் தலைமுறை 4-இல் இடம்பெற்றுள்ள லித்தியம்-சல்ஃபர் வகை பேட்டரி தான் நம் கதையின் மார்கண்டேயன்.

லித்தியம்-கந்தகம் பேட்டரி எப்படி ஆற்றல் தருகிறது? இதில் என்ன சிறப்பு/குறைபாடு?

முதலில் செயல்பாடும் சிறப்புகளும்: லித்தியம்-அயனி பேட்டரியில் லித்தியம் அயனிகள் வாடகைக்குக் குடியிருப்போர் போல நேர் மின் தகட்டிற்கும் எதிர் மின் தகட்டிற்கும் குடிபெயர்ந்து கொண்டே இருக்கும் என்று ஏற்கனவே பார்த்தோம். இதனை இடைச்செறுகல் (intercalation) என்று சொல்கிறோம். லித்தியம்-கந்தகம் கொண்ட பேட்டரிகளில் லித்தியம் அயனிகள் கந்தக அயனிகளுடன் சேர்ந்துகொண்டு பல்சல்பைடுகளாக (polysulphides) Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂ என்று கொஞ்சம் கொஞ்சமாக மாறி இறுதியில் Li₂S என்ற முழு சந்திரமுகியாகவே மாறிவிடுகின்றன. சார்ஜ் செய்யும்போது மீண்டும் Li மற்றும் S₈ என்ற கங்காவாக உருப்பெறுகின்றன. இந்த முறையை conversion என்று சொல்கிறோம்.

டிஸ்சார்ஜ் செய்யும்போது ஒவ்வொரு கந்தக அணுவும் படிப்படியாக 16 லித்தியம் அணுக்களுடன் சேர்ந்து பாலிசல்ஃபைடுகளாக உருமாற்றம் அடைந்து Li2S ஆகிறது. பின்னர் சார்ஜ் செய்கையில் ஒரே தாவலில் லித்தியம் தனியாகவும் கந்தகம் தனியாகவும் பிரிந்து விடுகின்றன.

இதில் சிறப்பு என்னவென்றால், கந்தகம் என்பது மிக அதிகமாகவும் எளிதாகவும் கிடைக்கக்கூடிய பொருள். பெட்ரோலியத் துறையில் ஒரு கிளைப்பொருளாக (by-product) டன் கணக்கில் கிடைக்கக் கூடிய கந்தகம் லித்தியம்-அயனி பேட்டரி தயாரிக்கத் தேவைப்படும் மூலப்பொருட்களான கோபால்ட், நிக்கல் போன்றவற்றை விட ஆயிரம் மடங்கு மலிவாகவும் எளிதாகவும் கிடைக்கக்கூடியது. நச்சுத் தன்மையும் மிகக் குறைவு. மற்றொரு சிறப்பு, கார்பனுக்குப் பதிலாக லித்தியத்தையே பயன்படுத்துவதால், அதன் ஆற்றல் அடர்த்தியையும் மின்திறனையும் முழுமையாகப் பயன்படுத்த முடியும். அப்படியானால் இனி லித்தியம்-சல்ஃபர் பேட்டரிகளின் ஆதிக்கம் தானா என்கிறீர்களா? இனி குறைபாடுகளைப் பார்க்கலாம்: மார்க்கண்டேயனின் 16 ஆண்டு ஆயுள் போலவே லித்தியம் சல்ஃபர் பேட்டரிகள் நூறு முதல் நூற்றைம்பது முறை மட்டுமே மின்னேற்றம்/மின்னிறக்கம் (charge/discharge) சுழற்சிகளைத் தாங்கக்கூடியது. அதற்குமேல் பயன்படுத்தினால் பாலிசல்பைடு என்கிற ஃபாலிடாலைக் குடித்துத் தற்கொலை செய்து கொள்கின்றன. ஏனென்றால், Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂ ஆகியவற்றில் சில பாலிசல்ஃபைடுகள் சந்திரமுகியாகவே இருந்துவிடத் துடிக்கின்றன. முழு உருமாற்றம் தடைபடுகிறது. இறுதியில் பேட்டரி படுத்துவிடுகிறது. எல்லாவற்றுக்கும் மேலாக, கந்தகம், அதற்கு மின் கடத்துத்திறன் அளிக்கும் கரிமம், மற்றும் மின்பகுளியைச் சீராக வைத்திருக்கும் லித்தியம் நைட்டிரேட் ஆகியவற்றை கொண்ட சேர்மம் இதில் இருப்பதால், சிறப்பானதொரு வெடிமருந்துக்கான ரெசிபி இந்த பேட்டரி. எனவே லித்தியம் சல்ஃபர் பேட்டரிகளை விமானம் மற்றும் கப்பல் போக்குவரத்தில் அனுமதிப்பதற்குச் சாத்தியமில்லை.

இதற்கு என்ன தீர்வு?

1. பாலிசல்ஃபைடுகளைக் கட்டுக்குள் வைத்திருக்கக் கூடிய வேதிப்பொருட்களைக் கண்டறிந்து பயன்படுத்துதல்

2. லித்தியம் மின் தகட்டின் மீது பாதுகாப்புப் பூச்சு அமைப்பது. இது பாலிசல்ஃபைடுகள் லித்தியத்தின் மேற்பரப்பை அரிப்பதைத் தடுக்கும்.

நாங்கள் 1000 முறை சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் செய்து விட்டோம். ஐந்து மடங்கு அதிக ஆற்றலை நிரூபித்து விட்டோம் என்று அடிக்கடி ஆராய்ச்சி உலகில் ராமர் பிள்ளைகள் தோன்றி மறைகின்றனர். உண்மை என்னவென்றால், வணிக ரீதியாக லித்தியம் சல்ஃபர் பேட்டரி தயாரித்துக் கொண்டிருந்த Oxis, Sion ஆகிய இரண்டே நிறுவனங்களில் Oxis திவாலாகி விட்டது. Sion தரப்பில் பேச்சு மூச்சே இல்லை.

தொடரும் ஆய்வுகளின் வெளிப்பாடாக என்றேனும் ஒருநாள் நூறாண்டு வாழும் மார்கண்டேய பேட்டரியைக் கண்டுபிடிப்போம் என்று நம்புவோமாக.

லித்திய உலகம் – பகுதி 2 – பேட்டரி ஏன் சாகிறது?

 

சென்ற பதிவில் ஒருசில கேள்விகளுடன் முடித்திருந்தோம் (முதல் பகுதியைப் படிக்க இங்கே சொடுக்கவும்):

• நாளடைவில் பேட்டரி சார்ஜ் ரொம்ப நேரம் நிற்பதில்லையே, ஏன்?
• எப்படி அயனிகள் மட்டும் ஒரு வழியில் அனுமதிக்கப்பட்டு எலெக்ட்ரான்கள் ‘Take Diversion’ செய்யப்படுகின்றன?
• பேட்டரி ஏன் சில (பல) நேரங்களில் செத்துப் போக நேர்கிறது?
• லித்தியத்தை விட சிறப்பான உலோகங்களைப் பயன்படுத்தி பேட்டரி செய்ய முடியுமா?

இதற்கான விடைகளை ஒவ்வொன்றாகப் பார்ப்போம்.

1. நாளடைவில் பேட்டரி ‘சார்ஜ் ரொம்ப நேரம் நிற்பதில்லையே, ஏன்?

லித்தியம் பேட்டரியைச் சார்ஜ் செய்யும் போது என்ன நடக்கிறது என்பதை நினைவூட்டிப் பார்க்கலாம்.

படம் 1. லித்தியம் பேட்டரியை சார்ஜ் மற்றும் டிஸ்சார்ஜ் செய்யும் போது. நன்றி: RAVPower

 

சார்ஜ் செய்யும் போது நேர்மின் தகட்டில் (பாசிட்டிவ் அல்லது cathode) இருக்கும் லித்தியம் அயனிகள் மின்பகுளி (electrolyte) வழியாக எதிர்மின் தகட்டை (நெகட்டிவ் அல்லது anode) அடைகின்றன. பின்னர் நாம் அந்த பேட்டரியைப் பயன்படுத்தும் போது (அதாவது ‘டிஸ்சார்ஜ் செய்யும் போது) இந்த லித்தியம் அயனிகள் தங்கள் கூட்டுக்குத் திரும்பிச் செல்கின்றன. இங்கே ஒரு சிக்கல் இருக்கிறது. அந்தக் கூட்டின் அமைப்பு முன்பு இருந்ததை போலவே இப்போது இல்லை. கொஞ்சம் குருகியோ நெளிந்தோ இருக்கக் கூடும். எல்லா லித்தியம் அயனிகளும் அவற்றின் ஆரம்ப இருப்பிடத்தையோ நிலையையோ அடைய முடிவதில்லை. மேலும், மின்பகுளிக்கும் மின் தகடுகளுக்கும் இடையே நடக்கும் வேதியியல் வினைகளும் மின்தடையை (ரெசிஸ்டன்ஸ்) அதிகப் படுத்தி செயல்திறனைக் குறைக்கின்றன.

படம் 2. லித்தியம் அல்லது கார்பன் மின் தகடு மின்பகுளியுடன் வினைபுரிவதால் ஒன்றல்ல இரண்டல்ல, லித்தியம் ஆக்சைடு, ஃளூரைடு, கார்பனேட் என்று பலவிதமான வேதிமப் பொருட்கள் உருவாகின்றன. இவை அனைத்தும் அந்த பேட்டரியில் மின்னோட்டத்தைத் தடுக்கவல்ல ஒரு மென்படலமாய் அமைந்து விடுகின்றன. நன்றி: Journal of The Electrochemical Society, 164 (7) A1703-A1719 (2017)

 

இது போக, இந்த லித்தியப் பயணங்களுக்கான செய்கூலி, சேதாரம் எல்லாம் இருக்கும். ஒரு தடவை சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் செய்தாலே இவ்வளவு இழப்பு எனும் போது நாள்தோறும் சார்ஜ் செய்தும், அழைப்புகள், ஃபேஸ்புக், டிவிட்டர், டிக்டாக், மீம்ஸ், கேம்ஸ் என்று பலவிதங்களில் டிஸ்சார்ஜ் செய்தும் நாம் இந்த லித்திய அயனிகளையும் மின் தகடுகளையும் ஒரு வழி செய்து விடுகிறோம். நாளடைவில் இவை தம் ஆரம்பகால செயல்திறனை இழந்து விடுகின்றன. இத்தகைய இழப்பு தவிர்க்க முடியாதது.

இயற்பியல் மொழியில் சொல்ல வேண்டுமானால் இது ஆற்றலின் அழிவின்மை விதி (Law of conservation of energy). அப்படியானால் நமது பேட்டரி இழந்த ஆற்றல் எங்கே என்று நீங்கள் கேட்கலாம். மேற்சொன்ன செய்கூலி சேதாரம் என்பன எல்லாம் வெப்பமாக வெளியேறுகிறது. கைபேசி பேட்டரியில் சூடு வாங்கியவர்கள் இதை மறுக்க மாட்டார்கள் என்று நம்புகிறேன்.

2. பேட்டரி ஏன் சில (பல) நேரங்களில் செத்துப் போக நேர்கிறது?

முதல் கேள்விக்கான விடையிலேயே இதற்கும் விடை இருக்கிறது. சார்ஜ் – டிஸ்சார்ஜ் – சார்ஜ் – டிஸ்சார்ஜ் – சார்ஜ் – டிஸ்சார்ஜ் – என்று பேட்டரியைத் தொடர்ந்து பயன்படுத்தி வரும் போது கொஞ்சம் கொஞ்சமாக லித்தியம் அயனிகள் பயண வேகம் தளர்கிறது. மின் தகடுகள் தமது இயல்பான நிலை குலைந்து, மின்பகுளியின் கைங்கரியதால் மின்சார ஓட்டத்தைத் தடை செய்யும் வகையில் தம்மைக் சுற்றி அடர்ந்த படிமங்களால் சூழப்பட்டு விடுகின்றன. ஒரு கட்டத்தில் இரு தகடுகளுக்கு இடையேயான மின்னோட்டம் முற்றிலுமாக தடைபட்டு விடுகிறது. அதாவது பேட்டரி உயிரிழந்து விடுகிறது.

சராசரியாக ஒரு மடிக்கணினி அல்லது கைபேசியில் உள்ள லித்தியம் பேட்டரியின் ஆயுள்காலம் 3 ஆண்டுகளில் சுமார் 500 சார்ஜ்-டிஸ்சார்ஜ் சுழற்சிகள் என்று கணிக்கப் படுகிறது. இதற்கு மேலும் அந்த பேட்டரி இயங்குவது நம் பாக்கியம் என்று கருதலாம்.

3. எப்படி அயனிகள் மட்டும் ஒரு வழியில் அனுமதிக்கப்பட்டு எலெக்ட்ரான்கள் ‘Take Diversion’ செய்யப்படுகின்றன?

படம் 3. எலெக்ட்ரான்களுக்கும் அயனிகளுக்கும் வேறு வேறு பாதைகள். ©nature.com

 

இது மின்பகுளியின் வேலை. எலக்ட்ரான்களைத் தடுக்கும் வண்ணம் இவை செயல்படுகின்றன. ஒரு கல்லில் இரு மாங்காய் என்பது போல இவை மின்பகுளியாகவும், பாசிட்டிவ் மற்றும் நெகட்டிவ் முனைகள் ஒன்றுடன் ஒன்று உரசிக் கொண்டு குறுஞ்சுற்று (short-circuit) ஆகாமல் தடுக்கும் பாதுகாவலாகவும் இருக்கிறது. எனவே பேட்டரியில் அயனிகள் இந்த வழியில் அனுமதிக்கப் படும் அதே வேளையில் எலெக்ட்ரான்கள் ஒரு புறச்சுற்று (external circuit) மூலமாக பயணிக்கின்றன. எலெக்ட்ரான்கள் ஓட்டமே மின்சாரம் என்பதை அறிவோம். இப்படியாக, எலக்ட்ரான் (நெகட்டிவ்) -அயனி (பாசிட்டிவ்) என்று இரு துருவங்களாக மின்னூட்டம் ஏற்படுகிறது. இது தான் வேதியியலில் அயனி இயல் (ionics) என்ற உட்பிரிவின் அடிப்படை.

4. லித்தியத்தை விட சிறப்பான உலோகங்களைப் பயன்படுத்தி பேட்டரி செய்ய முடியுமா?

ஆம், இல்லை.

லித்தியம் பேட்டரியின் பெருவெற்றிக்கு இரண்டு முக்கியமான காரணங்கள் உண்டு.

(அ) லித்தியத்தை விட அதிக மின்னழுத்தம் (voltage) தரும் உலோகம் வேறு இல்லை

(லித்தியம்: 3.04 V).

யாமறிந்த உலோகங்களில் லித்தியம் போல் மின்னழுத்தம்

மிகையான தெங்கும் காணோம்.

(ஆ) உலோகங்களில் அடர்த்தி குறைவானது லித்தியம். எனவே குறைந்த எடையில் அதிக ஆற்றல் (Energy density) என்று பார்த்தால் லித்தியம் தான் சாம்பியன்.

இருப்பினும் வேறு பல காரணங்களால் இதற்கு மாற்று கண்டுபிடிக்கக் கங்கணம் கட்டிக் கொண்டு ஆராய்ந்து வருகிறோம். இரண்டு தலையாய காரணங்கள்:

(அ) லித்தியம் எல்லா நாடுகளிலும் கிடைப்பதில்லை. மின்சாரக் கார்கள் உற்பத்தி அதிகமாகும் போது லித்தியம் தட்டுப்பாடு ஏற்படலாம்; விலை ஏறக் கூடும்.

படம் 4. லித்தியம் எல்லா நாடுகளிலும் கிடைப்பதில்லை. இன்று எண்ணெய் வளம் மிகுந்த வளைகுடா நாடுகளைப் போல் வருங்காலத்தில் இந்த நாடுகள் தமது லித்திய வளத்தால் ஆதிக்கம் செலுத்தக் கூடும். ©nature.com

(ஆ) நீர் மற்றும் காற்றுடன் லித்தியம் வினை புரிவதால் நேரடியாக லித்தியதை இன்னமும் பேட்டரியில் பயன்படுத்த முடிவதில்லை. எனவே அதன் மின்தேக்குத் திறனில் பாதியைத் தான் நாம் பெற முடிகிறது.

எனவே, பொருளாதார அடிப்படையிலும் உலகில் உள்ள தனிமங்களின் இருப்பளவைக் கருத்தில் கொண்டும் பார்த்தால் சோடியம் சிறந்த மாற்றாக இருக்கும். லித்தியத்தின் 3 வோல்ட் மின் அழுத்தத்துடன் ஒப்பிடுகையில் 2.7 வோல்ட் தரக் கூடியது சோடியம். தவிர, கடல் நீரிலும் பாறைகளிலும் இருந்து சோடியத்தை எளிதாகப் பிரித்து எடுக்கலாம்.

சோடியத்தைத் தவிர, மெக்னீசியம், கால்சியம் போன்றவற்றைப் பயன்படுத்த ஒருசில ஆராய்ச்சியாளர்கள் முயன்று வருகின்றனர். ஆனால், இந்த முயற்சிகள் எதுவும் இதுவரை லித்தியம் அயனி பேட்டரிகளின் செயல்திறனை முறியடிக்க முடியவில்லை என்பதே உண்மை. இருப்பினும் மனம் தளராமல் தனிம அட்டவணைய அலசி ஆராய்ந்து பல உலோகங்களையும் அவற்றின் கலவைகளையும் ஆராய்ந்து வருகின்றனர். (கவிதைப் பிரியர்கள் தனிம அட்டவணை ஹைக்கூ தொகுப்பிற்கு இங்கே சொடுக்கவும்).

சுருங்கச் சொன்னால், இப்போதைக்கு லித்தியம் தான் கெத்து.

லித்தியம் பேட்டரிகள் பற்றி உங்களுக்கு ஏதேனும் கேள்வி இருந்தால் கீழே பின்னூட்டத்திலோ அல்லது vijayshankar.twwi@gmail.com என்ற மின்னஞ்சலுக்கோ அனுப்பவும். விடையளிக்க முயற்சிக்கிறேன். நன்றி.

லித்திய உலகம் 1 – செல்ஃபோன் பேட்டரியும் சில லித்தியம் அயனிகளும்

வழக்கம் போல் முதலில் ஓரிரு சொற்களின் விளக்கம்:

லித்தியம்: தனிம அட்டவணையில் (Periodic table of elements) மூன்றாவது இடத்தில் இருக்கும் ஒரு உலோகம். ங, ஞ, ந, ண, ம, ன போல இதுவும் மெல்லினம். அதிலும் மற்ற அனைத்து உலோகங்களைக் காட்டிலும் மிகவும் மெல்லியது. அதற்காக, லித்தியத்தை லேசாக எடுத்துக் கொள்ள வேண்டாம். இது வேதியியல் வீரியம் மிக்கது (reactive). இயற்கையில் தூய நிலையில் கிடைக்காது; தாதுக்களில் இருந்து இதனைப் பிரித்தெடுக்க வேண்டும். காற்றில் இருக்கும் ஆக்சிஜன் மற்றும் நைட்ரஜன் வாயுக்களுடன் வினைபுரிந்து விடுவதால் தூய்மை படுத்தப்பட்ட லித்தியம் எப்போதும் மேற்சொன்ன வாயுக்களும் ஈரப்ப்பதமும் இல்லாத சூழலில் சேமிக்கப்படுகிறது. பெரும்பாலும் தூய லித்தியத்தை ஆர்கான் அல்லது ஹீலியம் போன்ற மந்த வாயுக்கள் நிரப்பிய Glove box எனப்படும் பெட்டிகளுக்குள்ளே தான் பயன்படுத்துவார்கள்.

சரி, இந்த லித்தியம் எதற்குப் பயன்படுகிறது? இன்றைய நிலையில் எப்போதும் நம்மை விட்டுப் பிரியாத தோழி அல்லது தோழனைப் போல் நம் பாக்கெட்டுக்குள்ளேயோ கைப்பையிலோ மேசை மீதோ இருக்கிறது. ஆம், நமது செல்பேசிகளிலும் மடிக்கணினிகளிலும் கைக்கணினிகளிலும் உள்ள மின்கலங்கள், அதாவது பேட்டரிகள் (Battery) எல்லாவற்றிலுமே லித்தியம் தான் ஹீரோ. லித்தியம் இல்லையேல் நமது செல்ஃபோன்கள் எல்லாம் செங்கல்களே.

படம் 1. லித்தியம்-அயனி மின்கலம்

அயனி: அணுக்களில் எலெக்ட்ரான்களும் (-) ப்ரோட்டான்களும் (+) இருப்பதை அறிவோம். இந்தப் ப்ளஸ்ஸிலோ மைனஸிலோ ஏதேனும் ஒன்றிரண்டைக் கழற்றிவிட்டால் என்ன ஆகும்? நேர் மின்னோட்டத்துக்கும் எதிர் மின்னோட்டத்துக்குமான சம நிலை குலைந்து போய், மேற்படி அணுவானது ஒரு ‘அயனி’யாக மாறி விடுகிறது. முதல் பாதியில் சாதுவாக இருந்துவிட்டு இடைவேளைக்கு அப்புறம் அதிரடியாக மாறும் கதாநாயகனைப் போல முற்றிலும் மாறுபட்ட தன்மைகளைக் கொண்டு சிலபல அதிசயங்களைச் செய்கிறது.

சூரியக் குடும்பத்தில் (Solar System) கோள்கள் கதிரவனைச் சுற்றி வருவது போலவே ஒரு அணுவின் கருவைச் சுற்றி எலெக்ட்ரான்கள் வலம் வருகின்றன. அணுக்கருவில் நேர்மின் சுமை (positive charge) கொண்ட ப்ரோட்டான்களும் மின்சுமை எதுவுமற்ற நியூட்ரான்களும் உள்ளன. இந்த நேர் மின்சுமையைச் சம நிலைப்படுத்த ஒரு எதிர் மின்சுமை இருந்தால்தான் அந்த அணு நடு நிலையில் இருக்க முடியும். வேறு வழி தெரியாமல் மேம்பாலத்தையே சுற்றிச் சுற்றி வரும் வாகன ஓட்டிகளைப் போல் வட்டமடிக்கும் எலெக்ட்ரான்கள் தமது எதிர் மின்னோட்டத்தால் இந்த நடுநிலையைக் காத்து அணுவை அணுவளவும் சிதையாமல் வைத்திருக்கின்றன. இந்த நடுநிலையைச் சிதைப்பதிலும் மீண்டும் விதைப்பதிலுமே ஒரு லித்தியம்-அயனி மின்கலத்தின் (lithium-ion battery) செயல்திறன் இருக்கிறது.

படம் 2. (இடது) லித்தியம் அணுவில் 3 எலெக்ட்ரான்கள் உள்ளன. (வலது) சமநிலை குலைந்து ஒரு எலெக்ட்ரானை இழந்து Li+ அயனியாக மாறுகிறது.

ஏன் லித்தியம் மட்டும்? அடர்ந்த ஈயமும் இரும்பும் இருக்கும்போது ஈ போன்ற லித்தியத்தில் எவ்வளவு மின்னாற்றலைச் சேமித்துவிட முடியும்? முதலில், தன்வசமுள்ள எலெக்ட்ரான்களை இழந்து அயனியாக மாறுகையில் லித்தியம் ஏறத்தாழ 4 வோல்ட் தருகிறது. இதர உலோகங்கள் வெறும் 1.5 வோல்ட் மட்டுமே கொடுக்க முடியும். இதுபோக, லித்தியத்தின் இலகுவான தன்மையும் சாதகமாகி விடுகிறது. ஒரு கிலோ ஈயத்தில் ஒரு மணி நேரத்திற்கு 260 ஆம்பியர் அளவு மின்சாரத்தைச் சேமிக்கலாம். அடர்த்தி குறைந்த லித்தியத்திலோ அதே ஒரு கிலோ எடையில் சுமார் 3860 ஆம்பியர் மின்சாரத்தைச் சேமிக்கலாம். கொள்ளை லாபம் அல்லவா?

சரி, இப்போது பேட்டரிக்கு வருவோம். இதன் உள்ளே அப்படி என்னவெல்லாம் இருக்கிறது? அடிப்படையில், ஒரு நேர்மின் ‘தகடு’ (positive electrode), ஒரு எதிர்மின் ‘தகடு’ (negative electrode), பஞ்சும் நெருப்பும் பக்கத்தில் இருப்பதால் இந்த இரண்டிற்கும் நடுவே பெண்ணின் தந்தை போல் ஒரு தனிப்படுத்தி காகிதம் (separator). இது இருவரையும் ‘பார்த்தும் பேசிக்கொள்ளவும்’ அனுமதிக்கும்; தப்பு தண்டா செய்ய விடாது. இரண்டு மின்முனைகளையும் பிரித்து விட்டால் மின்சாரம் எங்கே இருந்து வரும்? அதற்காகவே ஒரு மின்பகுளி (electrolyte). இது அயனிகளைக் கடத்தும்; எலெக்ட்ரான்களைத் தடுக்கும். இதைப்பற்றி பின்னொரு பதிவில் விரிவாகக் காண்போம்.

நேர்மின் தகடு பெரும்பாலும் லித்தியம் கோபால்ட் ஆக்சைடு (LiCoO2) என்ற சேர்மத்தால் ஆனது. 1990-களில் Sony நிறுவனத்தால் நடைமுறை பேட்டரிகளில் அறிமுகம் செய்யப்பட்டது முதல் இளையராஜா பாடல்கள் போல் இன்றளவும் ‘நின்று’ கொண்டிருப்பது LCO என்று அழைக்கப்படும் இந்தச் சேர்மம் தான். புதுப்புது சேர்மங்களைச் செய்யும் பொருட்டு எத்தனையோ கோடி பணத்தை இறைத்தும் சிலபல ஜிகினா வேலைகளைச் செய்தும் இதன் மின்வேதிப் பண்புகளை இன்னும் மீற முடியவில்லை என்றே சொல்ல வேண்டும். உங்கள் பேட்டரியை நீங்கள் ரீ-சார்ஜ் செய்யும் போது LiCoO2-இல் இருக்கும் லித்தியம் (Li+) அயனிகள் மின்பகுளி மற்றும் செப்பரேட்டர் வழியாக எதிர்மின் தகட்டினை நோக்கி விரைகின்றன. வழிமறிக்கப்பட்ட எலெக்ட்ரான்கள் நகரத்தின் புறவழிச் சாலை போன்ற ஒரு வெளி மின்சுற்றுப் பாதையில் பயணிக்கின்றன. எலெக்ட்ரான்களின் ஓட்டமே மின்சாரம் அல்லவா? இப்படி உருவான மின்சாரத்தையே நீங்கள் பாட்டு கேட்டும் அழைப்புகள் செய்தும் ஃபேஸ்புக் பார்த்தும் கேம்ஸ் விளையாடியும் தீர்க்கிறீர்கள்.

படம் 3. சார்ஜ் செய்யும் போது நேர்மின் தகட்டில் (LiCoO2) இருந்து லித்தியம் அயனிகள் கிராஃபைட் படிமங்களை வந்தடைகின்றன. பேட்டரியைப் பயன்படுத்துகையில் (discharge) மீண்டும் நேர்மின் தகட்டிற்குச் சென்றுவிடுகின்றன.

எதிர்மின் தகடு லித்தியமாக இருக்கலாம். ஆனால் அது பாதுகாப்பற்றது என்று முன்னுரையில் பார்த்தோம். அப்படியானால் சார்ஜ் செய்யும் போது வந்து கொண்டிருக்கும் லித்தியம் அயனிகளை எப்படி கவர்ந்து மின்சாரத்தைச் சேமித்து வைப்பது? இங்கு தான் அறிவியலாளர்களின் மகத்துவம் மிளிர்கிறது. ஒரு ஊரில் நல்ல வேலை கிடைக்கிறது. சொந்த ஊரிலிருந்து வெகுதூரம். ஆனால் நல்ல சம்பளம். சொந்த வீடு இல்லாவிட்டால் என்ன? இரவில் முடங்கிக் கொள்ள ஒரு இருப்பிடம் தேவை. வாடகை வீடு பிடித்துத் தங்கி, முடிந்த வரைக்கும் மிச்சம் பிடித்து வீட்டுக்குப் பணம் அனுப்புவதில்லையா? அதுபோலவே, சார்ஜ் செய்யும் போது வரும் லித்தியம் அயனிகள் சற்று இளைப்பாற ஒரு ஏற்பி (host) இருந்தால் போதும். சார்ஜ் முடிந்து அந்த பேட்டரியை நாம் பயன்படுத்தும் போது இந்த லித்தியம் அயனிகளை அப்படியே திருப்பி அனுப்பும் வகையில் இந்த ஏற்பி இருக்க வேண்டும். இதற்கு எங்கே போவது?

இயற்கையிலேயே இத்தகைய தன்மை உடையது கிராஃபைட் என்ற கரிம படிவம் (இதைப் பற்றிய மேலதிக தகவலுக்கு இத்தளத்தில் ஏற்கனவே வந்த இந்தப் பதிவைப் பார்க்கவும்). மெல்லிய இந்த கிராஃபைட் அடுக்குகளின் ஊடே லித்தியம் அயனிகள் சொகுசாகத் தங்கி விழாவைச் சிறப்பித்த பின் தங்களை இழந்து வெறும் கோபால்ட் ஆக்சைடாகப் (CoO2) பிரிவாறாதிருக்கும் நேர்மின் தகட்டினை நோக்கிப் பாய்கின்றன.  LiCoO2 புத்துயிர் பெறுகிறது. இழந்த சொர்க்கம் மீட்கப்படுகிறது. சுபம்.

இப்போது சில கேள்விகள் எழலாம்.

• நாளடைவில் பேட்டரி ‘சார்ஜ் ரொம்ப நேரம் நிற்பதில்லையே’, ஏன்?
• எப்படி அயனிகள் மட்டும் ஒரு வழியில் அனுமதிக்கப்பட்டு எலெக்ட்ரான்கள் ‘Take Diversion’ செய்யப்படுகின்றன?
• பேட்டரி ஏன் சில (பல) நேரங்களில் செத்துப் போக நேர்கிறது?
• லித்தியத்தை விட சிறப்பான உலோகங்களைப் பயன்படுத்தி பேட்டரி செய்ய முடியுமா?

இந்தக் கேள்விகளுக்கு விடை தேடும் முன் சற்று நாமும் சார்ஜ் செய்து கொள்வோம்.

சார்ஜ் ஏறும்…

படங்கள்:

1. Wikibooks
2. bbc.co.uk
3. http://www.jmbatterysystems.com