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.