लिथियम बॅटरी – ऊर्जा संवर्धनातील मैलाचा दगड

रसायनशास्त्राचे नोबेल या वर्षी तिघांना विभागून देण्यात आले आहे. जॉन गुडेनॉव व स्टॅन्ली विट्टीन्घम हे अमेरिकेचे व अकिरा योशिनो जपानचे शास्त्रज्ञ आहेत. या तिघांनी लिथियम बॅटरीवर मोलाचे संशोधन केले आहे. ज्याच्यामुळे पर्यावरणाला मारक पेट्रोलियमसारख्या ऊर्जा उत्पन्न करणाऱ्या घटकांना हद्दपार करणे शक्य होणार आहे.

अविरत मनोरंजन व जगाशी एका टोकाहून दुसऱ्या टोकाशी होणारा संपर्क ही किमया मोबाइल फोनमुळे आहे आणि ही किमया साध्य झाली आहे ती  लिथियम बॅटरीच्या शोधामुळे. लिथियम हा एक असा धातू आहे जो वजनाने खूपच हलका आहे व त्याची ऊर्जा साठवून ठेवण्याची क्षमता मोठ्या प्रमाणात आहे. हा धातू विश्वनिर्मितीच्या महास्फोटात किंवा त्यानंतर काही काळानंतर निर्माण झाला, पण १८१७ मध्ये त्याचा शोध लागला. स्वीडनच्या जोहान अर्फवादसुन व जोन्स बर्झेलिस या दोन रसायनतज्ज्ञांनी या धातूला स्टॉकहोम द्वीपसमूहातील एका खाणीतून शोधून काढले होते.

या दोघांनी स्वच्छ व शुद्ध लिथियम शोधले नव्हते तर त्याचे क्षार एका खनिजापासून वेगळे केले होते. रसायनशास्त्राच्या दुनियेत क्षार हा असा घटक आहे ज्याचा विद्युतभार हा शून्य असतो. म्हणजेच त्याच्यात समप्रमाणात धनआयन (पॉझिटिव्ह चार्ज) व ॠण आयन (निगेटिव्ह चार्ज) असतात ज्यामुळे त्याचा विद्युतभार संतुलित असतो. त्यांनी जर शुद्ध लिथियम गोळा केला असता तर त्यांना समजले असते की तो किती स्फोटक आहे. शुद्ध लिथियमला स्फोट होण्यापासून रोखायचे असेल तर त्याला तेलात बंदिस्त केले जाते ज्यायोगे त्याचा वातावरणाशी संपर्क होण्याचा धोका टाळता येतो. हे असे का घडते? शुद्ध लिथियमची आंतरिक संरचना वैशिष्ट्यपूर्ण आहे. लिथियमच्या शेवटच्या इलेक्ट्रॉन कक्षेत फक्त एकच इलेक्ट्रॉन अस्तित्वात असतो जो दुसऱ्या कोणत्याही घटकाच्या अणूकक्षेत शिरण्यासाठी उत्सुक असतो. ज्यावेळी असे घडते तेव्हा ऊर्जा निर्माण होते जी आपल्याला स्फोटाच्या रूपात अनुभवायला मिळते. लिथियमचा हा अवगुण स्टॅन्ली विट्टीन्घमनी बॅटरी बनवण्यासाठी उपयोगात आणला.

अपारंपरिक ऊर्जास्रोतांचा शोध

पेट्रोलियम पदार्थाना पर्याय शोधण्याचा प्रयत्न अनेक दशकांपासून सुरू आहे. पण अपारंपरिक ऊर्जास्रोत शोधण्याचा प्रयत्न पेट्रोलच्या उतरत्या चढत्या भावाप्रमाणे हिंदोळे खात आहे. जेव्हा पेट्रोल महाग होते तेव्हा पेट्रोलला पर्याय शोधण्याचे प्रयत्न सुरू होतात पण भाव गडगडल्यानंतर त्यात शिथिलता येते. आज आपण विद्युत गाड्यांची मागणी वाढत चालल्याचे पाहतो आहोत. पण अशा गाड्यांची निकड १९७०च्या दशकात उचल खाल्ल्याचे आपल्याला दिसेल. त्याकाळी पेट्रोलवर चालणाऱ्या गाड्या सामान्य माणसाच्या आवाक्यात आल्या होत्या व त्यांची विक्री प्रचंड वाढली होती. पण अशा मोटार गाड्यातून निघणारा धूर व धुरळ्यामुळे पर्यावरणाला हानी पोहोचू लागली. पेट्रोल साठे कमी होत जाणे व पर्यावरणाचा होणारा ऱ्हास बघून मोटार निर्मिती कंपन्यांनाच ‘ग्रीन एनर्जी’ची निकड भासू लागली. त्यांना पेट्रोलऐवजी इतर कोणत्यातरी पर्यावरणाला हानी न पोहोचवणाऱ्या इंधनाचा शोध घेणे संयुक्तिक वाटू लागले होते. विद्युत ऊर्जेवर चालणारी गाडी निर्माण करणे हा एक पर्याय त्यांच्यासमोर होता. पण हा पर्याय यशस्वी व्हायचा असेल तर ऊर्जा साठवून ठेवणारी एक सक्षम प्रणाली शोधून काढणे क्रमप्राप्त होते. त्यांना याची जाणीव होती.

स्टॅन्ली विट्टीन्घमचे संशोधन

१९६०-७०च्या दशकात अमेरिकेतील एक्झोन सारख्या मोठ्या कंपन्यांना पेट्रोल साठा कमी होत जाण्याची आणि गाड्यांच्या किमती गगनाला भिडण्याची भीती सतत सतावत होती. त्यांना आपला व्यापार कमी होण्याची भीती तर होतीच, पण त्याचबरोबर केलेली सारी गुंतवणूक मातीमोल ठरण्याची धास्ती त्यांना भेडसावू लागली होती. यावर एकच उपाय त्यांना योग्य वाटू लागला होता व तो म्हणजे आपल्या व्यापाराच्या मॉडेलमध्ये काळानुरूप बदल करणे. त्यासाठी अपारंपरिक ऊर्जास्रोत शोधणे व त्याचा वापर करणे अपरिहार्य होते. म्हणून त्यांनी विट्टीन्घमसारख्या अनेक शास्त्रज्ञांना आपल्या कंपनीत संशोधनासाठी पाचारण केले.

विट्टीन्घम हे स्टॅनफर्ड विद्यापीठात आधी कार्यरत होते व ते अंतर्निवेशन (इंटरकलेशन) या प्रक्रियेसंबंधी तज्ज्ञ होते. त्यांनी या अंतर्निवेशन कार्याचा सखोल अभ्यास केला होता.

काही घन पदार्थातील आंतरिक संरचनेत मोकळ्या जागा अस्तित्वात असतात. या प्रक्रियेत अशा पोकळ जागेत विद्युत भार असणारे काही आयन विसावतात. अशा प्रकारची प्रक्रिया जेव्हा घडून येते तेव्हा त्या पदार्थाचे अंगभूत गुण व वैशिष्ट्ये आमूलाग्रपणे बदलतात. ते संपूर्णपणे वेगळ्या प्रकारे वर्तन करतात असे त्यांना आढळून आले.

जेव्हा स्टॅन्ली यांनी आपले कार्य एक्झोन येथे आरंभले तेव्हा त्यांनी अनेक अंतर्निवेशन करू शकणाऱ्या अतिचालक (सुपरकंडक्टर) पदार्थांवर प्रयोग केले. शेकडो पदार्थांवर प्रयोग केल्यानंतर त्यांच्या लक्षात आले की टँटॅलम डायसल्फाईड या पदार्थात अंतर्निवेशन करण्याची क्षमता अस्तित्वात आहे. त्यांनी मग एका रासायनिक प्रक्रियेद्वारे टँटॅलम डायसल्फाईडमध्ये काही आयन सोडले व त्याच्यात अंतर्निवेशन झाल्यानंतर कोणते बदल घडतात याचा अभ्यास सुरू केला. त्यांचा मुख्य भर या पदार्थाची चालकता किती प्रमाणात वाढलेली आहे यावर होता. या संपूर्ण प्रक्रियेचा आढावा घेतल्यानंतर त्यांना आश्चर्याचा सुखद धक्का बसला. त्यांनी पाहिले की जेव्हा पोटॅशियम आयन यांच्यात सोडले जातात तेव्हा टँटॅलम डायसल्फाईडची विद्युत वाहकता व ऊर्जा साठवून ठेवण्याची क्षमता कैक पटीने वाढते. यालाच ऊर्जा सघनता (एनर्जी डेन्सिटी) असे म्हणतात. एका विशिष्ट विस्तार क्षेत्रात किती प्रमाणात ऊर्जा साठवून ठेवण्याची क्षमता असते यावर ऊर्जा सघनता मोजली जाते. ही ऊर्जा सघनता जेव्हा स्टॅन्ली यांनी वोल्टेजच्या रूपात मोजली तेव्हा ती २ वोल्ट इतकी होती.

त्याकाळी अस्तित्वात असणाऱ्या व वेगळ्या प्रकारच्या धातूने बनवलेल्या कोणत्याही बॅटरीत इतकी ऊर्जा सघनता अस्तित्वात नव्हती. पण टँटॅलम डायसल्फाईडपासून बनवलेली बॅटरी उचलायला न्यायला अतिशय जड होती कारण हा धातू सघन व जड असतो. त्या बॅटरीचा जडपणा कमी करण्यासाठी स्टॅन्लीने टँटॅलमला पर्याय म्हणून टायटॅनियमचा वापर सुरू केला. टायटॅनियम सर्वदृष्टीने टँटॅलमसारखाच असतो पण त्याच्यापेक्षा काही प्रमाणात हलका असतो.

लिथियमचा बोलबाला 

आपण जर एखाद्या बॅटरीचे प्रारूप पाहिले तर त्यात दोन विद्युतद्वार असतात. एक आहे धनाग्र व दुसरे ऋणात्म. त्यामुळे जे इलेक्ट्रॉन असतात त्यांचा प्रवास धनाग्र बिंदूपासून ते ऋणात्म बिंदूपर्यंत व्हावा लागतो. या गुणवैशिष्ट्यामुळे धनाग्राचे जे सामान असेल ते आपल्या अंतरंगातून इलेक्ट्रॉन शिताफीने सोडण्यालायक असावे लागते. इलेक्ट्रॉन सोडून देण्यात लिथियम पटाईत असते. त्यामुळे त्याकाळात लिथियम बॅटरी फार मोठ्या प्रमाणावर निर्माण करण्यात येत होत्या. लिथियममुळे रिचार्ज करणे सुद्धा सुकर होऊन गेले. पण त्यात धोका पण होता.

पूर्वीच्या काळी लिथियम बॅटरी पुनर्भरण (रिचार्ज) करण्यात येत असत यात शंकाच नाही. पण जेव्हा पुन्हापुन्हा त्या बॅटरीचे पुनर्भरण केले जात असे तेव्हा धनाग्र बिंदूपासून रासायनिक प्रक्रियेमुळे उभार किंवा बहिःसारण होत असे. जसजसे बॅटरीचे पुनर्भरण संख्या वाढत असे तसतसे धनाग्र बिंदूपासून वाढलेल्या लिथियम सुया ऋणात्म बिंदूपर्यंत पोहोचत असत. त्यामुळे विद्युत परिक्रमा बंद पडत असे (शॉर्ट सर्किट) व स्फोट होत. या समस्येवर उपाय म्हणून स्टॅन्ली यांनी लिथियमच्या धनाग्र विद्युतद्वारात अल्युमिनियम मिसळले. त्यामुळे शॉर्ट सर्किट होऊन स्फोट घडण्याच्या घटना मोठ्या प्रमाणावर कमी झाल्या. स्टॅन्ली यांनी हे संशोधन जगासमोर १९७६ साली मांडले.

या महत्त्वपूर्ण संशोधनाने विद्युत गाड्या निर्माण करण्याचा मार्ग सुकर झाला. विद्युत गाड्यांना ऊर्जा देण्याचे बळ स्टॅनलीच्या लिथियम बॅटरीमध्ये होते. त्यादृष्टीने त्यांनी आपले प्रयत्न सुद्धा चालू केले होते. पण आर्थिक मंदीमुळे एक्झोनला आपल्या खर्चात कपात करण्याची वेळ आली व पहिली कुऱ्हाड पडली ती लिथियम बॅटरीच्या प्रकल्पावर. त्यांनी हा प्रकल्प बंद करण्याचे निश्चित केले.

जॉन गुडेनवचे योगदान 

जेव्हा जॉन मॅसाच्युसेसेट्स इन्स्टिटयूट ऑफ टेक्नॉलॉजी या संस्थेत संशोधन करत होते तेव्हा त्यांनी संगणकातील रँडम ऍक्सेस मेमरीवर अतिशय महत्त्वपूर्ण काम केले होते. आजही आपण त्यांची ही प्रणाली वापरत आहोत. त्यांना लहानपणी शब्द वाचण्यात अडचण येत असे त्यामुळे त्यांचा कल गणिताकडे वाढू लागला. त्यांची नंतर रसायनशास्त्रातही रुची वाढू लागली. पण या सर्व आवडींव्यतिरिक्त त्यांना ऊर्जेच्या क्षेत्रात भरीव कार्य करण्याची इच्छा होती. मॅसाच्युसेसेट्समध्ये ही संधी त्यांना मिळणार नव्हती. पण जेव्हा त्यांना ऑक्सफर्ड विद्यापीठातून अपारंपरिक ऊर्जेवर संशोधन करण्याचा प्रस्ताव मिळाला तेव्हा त्यांनी तो लागलीच स्वीकारला. गुडेनव यांना स्टॅनलीच्या पुनर्भरण लिथियम बॅटरीची माहिती होती. त्यांना आतून असे वाटत होते की त्या बॅटरीची कार्यक्षमता वाढवता येईल. त्यासाठी धनाग्रची स्थितिज (पोटेन्शिअल) शक्ती वाढवण्याची आवश्यकता होती. विद्युत ऊर्जा किती तत्परतेने धनाग्रापासून ऋणात्म बिंदूपर्यंत पोहोचतो असा स्थितीजचा बॅटरी सापेक्ष अर्थ होतो. गुडेनव यांनी जगाला दाखवून दिले की विद्युत स्थितीज जर वाढवायचे असेल तर धनाग्र पदार्थ ऑक्ससाईड धातूचा नव्हे तर सल्फाईडचा बनवावा लागेल. हा कोणता पदार्थ असावा याचा शोध घेण्यासाठी त्यांनी अनेक धातू वापरून व अनेक प्रयोग करून पाहिले. शेवटी त्यांना हा धातू लिथियम-कोबाल्ट ऑक्ससाईडच्या रूपात सापडला. हा पदार्थ वापरून त्यांनी जो धनाग्र तयार केला त्याची शक्ती स्टॅनलीच्या बॅटरीपेक्षा दुप्पट होती. स्टॅनलीची बॅटरी २ वोल्ट आणि गुडेनवची बॅटरी ४ वोल्ट इतकी ऊर्जा देत होती.

२०व्या शतकाच्या अगदी शेवटी वजनाने हलक्या व कार्यक्षम लिथियम बॅटरीच्या निर्मितीमुळे तारहीन दळणवळणाची क्रांतीची मुहूर्तमेढ रचली गेली.

अकिरा योशिनोची आधुनिक बॅटरी

जपान हा देश इलेक्ट्रॉनिक वस्तूंसाठी प्रसिद्ध आहे. फोन, टीव्ही, कॅमेरा, संगणक आणि बरंच काही. आधी पाहिल्याप्रमाणे युरोप व अमेरिकेत जितकी संवेदनशीलता पर्यावरणासंबंधी अस्तित्वात होती तितकी जपान व आशिया खंडात दिसून येत नव्हती. जपानचा कल इलेक्ट्रॉनिक वस्तूंसाठी वजनाने हलकी व अधिक कालावधीसाठी ऊर्जा देणारी कुशल बॅटरी शोधून काढण्याकडे जास्त होता. तिथली गरज ओळखून अकिरा योशिनो यांनी अधिक कार्यक्षम बॅटरी निर्माण करण्याचा चंग बांधला. त्यासाठी त्यांनी फार विचार केला व कशा प्रकारे अस्तित्वात असणाऱ्या बॅटरीत बदल करून त्यांना अधिक कार्यक्षम करता येईल हे शोधण्यासाठी वेगवेगळ्या पदार्थांवर प्रयोग करण्याचा सपाटा चालू केला. धनाग्रसाठी अकिरा यांनी गुडेनवच्या लिथियम-कोबाल्ट ऑक्ससाईडलाच पसंती दिली, पण ऋणात्मसाठी कार्बनी पदार्थ अधिक प्रभावी ठरेल हा त्यांचा होरा होता. त्यासाठी त्यांनी अनेक प्रयोग केले. त्यांनी काही शोधनिबंध वाचले होते ज्यात ग्रॅफाईट खनिजाच्या अणुरेणूंच्या मोकळ्या जागेत लिथियम आयनचा अंतर्भाव होत असतो. पण बॅटरीमध्ये अस्तित्वात असणारे द्रव ज्यातून विद्युत प्रवाह होत असतो त्या द्रवाबरोबर ग्रॅफाईटची रासायनिक प्रक्रिया घडून येते व त्याचा ऱ्हास होतो. या समस्येवर उपाय शोधून काढण्यासाठी योशिनो यांनी अनेक पदार्थांवर प्रयोग केले. पण त्यांना यश पेट्रोलियम कोक वापरल्यानंतर मिळाले. पेट्रोलियम कोकमध्ये जेव्हा इलेक्ट्रॉन सोडले गेले तेव्हा विद्युत वाहक द्रवाकडे लिथियम आयन आकर्षित झाल्याचे पाहण्यात आले. त्यामुळे बॅटरी जेव्हा सुरू केली जाते तेव्हा इलेक्ट्रॉन व लिथियम आयन कोबाल्ट ऑक्ससाईडकडे आकर्षिले जातात.

योशिनोची ही आधुनिक बॅटरी पूर्वीच्या बॅटरीपेक्षा खूपच कार्यक्षम आहे. आधीच्या बॅटरीत स्फोटक रासायनिक प्रक्रिया घडून येत असल्याकारणाने त्यांचा वापर कधीकधी घटक ठरत असे. पण योशिनोच्या बॅटरीत अशाप्रकारचे रासायनिक संयोग घडून येणे शक्य नव्हते. सामाजिक आणि आर्थिक उत्थानात लिथियम आयन बॅटरीचे अनन्यस्थान आहे. वजनाने हलक्या आणि दीर्घकाळ कार्यरत राहणाऱ्या लिथियम आयन बॅटरीला शेकडो हजारो वेळा पुनर्भरण करण्याची क्षमता प्राप्त झालेली आहे. ही सामान्यजनांसाठी एक क्रांतिकारक सोय निर्माण झालेली आहे.

लिथियम आयन बॅटरी आणि हरित ऊर्जा 

या बॅटरीच्या शोधामुळे इलेक्ट्रॉनिक जगतात एक नवीन पर्व सुरू झाले आहे. ही बॅटरी पहिल्यांदा बाजारात १९९१ साली आली व त्यावेळेपासून साऱ्या इलेक्ट्रॉनिक वस्तूंचा आकार कमी कमी होत चाललेला आहे. आपले मोबाईल, टीव्ही, संगणक वजनाने हलके व सडपातळ होत आहेत. अर्थात लिथियम आयन बॅटरी अस्तित्वात आहे व तिचे कार्य चांगल्या प्रकारे सुरू आहे त्याचा अर्थ असा नाही की यासंबंधीचे सारे संशोधन बंद झाले आहे. खरेतर आजही कित्येक संशोधक या विषयावर संशोधन करत आहेत. जॉन गुडेनवने तर काहीच काळापूर्वी कोबाल्ट ऑक्ससाईडच्या जागी आयर्न फॉस्फेटचा वापर सुरू केलेला आहे. ही नवीन बॅटरी पर्यावरणाला कमी घातक आहे.

पेट्रोलियम पदार्थांपासून मिळणारी ऊर्जा काही वर्षानंतर किंवा दशकानंतर संपुष्टात येणार आहे. कोळसाही आपल्याला सदासर्वकाळ पुरणार नाही. त्याचीही साथ संपणार आहे. ऊर्जेची गरज भागवण्यासाठी अनेक अपारंपरिक प्रकारच्या उपाययोजना करणे गरजेचे आहे. या तीन शास्त्रज्ञांनी हा प्रयत्न केला व ठोस उपाय आपल्या समोर मांडले. विद्युत गाड्या आता बाजारात येत आहेत कारण ऊर्जा वाहून नेण्याची बॅटरीची क्षमता वाढलेली आहे. पर्यावरण रक्षणासाठी फार मोठे पाऊल या तिघांनी उचललेले आहे व त्यासाठीच त्यांचा २०१९चा नोबेल पारितोषिक देऊन गौरव करण्यात आला आहे.

प्रवीण गवळी हे भारतीय भूचुंबकत्व संस्थेत वैज्ञानिक आहेत.