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.

Lithium-ion-Battery-Explanation

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.

SEI

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?

battery_ions_electrons

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.

lithium-availability

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.

Sony_Li-ion_battery_LIP-4WM

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.

lithium_ion_atom

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.

how-cells-work

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