अचेल मोबाइल फोन, ट्याब्लेट, ल्यापटप, इलेक्ट्रिक मोटर÷कारलगायतमा रिचार्ज गर्न सकिने ब्याट्री प्रयोग हुँदै आएको छ। जसलाई लिथियम आयन (लि–आयन) ब्याट्री भनिन्छ। यस वर्षको रसायनशास्त्रतर्फको नोबेल पुरस्कार यसै ब्याट्रीको विकासमा लागेका तीनजना वैज्ञानिकलाई संयुक्तरूपमा प्रदान गरिएको छ। अमेरिकाको अस्टिनस्थित युनिभर्सिटी अफ टेक्ससका प्राध्यापक ९७ वर्षीय जोन बी गुडइनफ, अमेरिकाकै स्टेट युनिभर्सिटी अफ न्युयोर्कका प्राध्यापक ७७ वर्षीय एम स्टान्ले ह्विटिङ्घाम र जापानको मिजो युनिभर्सिटीका प्राध्यापक ७१ वर्षीय अकिरा योसिनोले उक्त पुरस्कार पाएका छन्। विगत दुई दशकदेखि रसायनशास्त्रको नोबेल पुरस्कार मुख्यत ‘बायोलोजिकल केमेस्ट्री’ लाई दिइँदै आएकामा यस वर्ष क्रमभंग गर्दै ‘इलेक्ट्रोकेमेस्ट्री’ क्षेत्रको अनुसन्धानलाई पुरस्कृत गरिएको छ।
विश्वमा पेट्रोलियम पदार्थको विकल्पमा नवीकरणीय ऊर्जाको माग बढ्दो भएको अवस्थामा यी वैज्ञानिकले लि–आयन ब्याट्रीको आविष्कार गरेबाट वैकल्पिक ऊर्जाका क्षेत्रमा महत्वपूर्ण योगदान पुग्ने आशा नोबेल कमिटीले गरेको छ। लि–आयन ब्याट्रीले वायु र सौर्य ऊर्जालाई पनि सञ्चित गर्न सक्ने भएकाले विश्वलाई भविष्यमा पेट्रोलियम ऊर्जा मुक्त गराउन सहयोग मिल्ने विश्वास गरिएको छ। तर आलोचकहरू लि–आयन ब्याट्रीलाई नवीकरणीय ऊर्जाको दर्जा तत्काल दिन तयार छैनन्। किनकि यस्तो ब्याट्रीमा प्रयोग हुने धातुहरू, जस्तै– निकेल, कोवाल्ट, तामा, आलुमिनियम र रसायन प्रयोग भएका लि–आयनबाट वातावरणमा हानि नपुग्ने गरी सुरक्षित किसिमले रिसाइकल गर्नु चुनौतीपूर्ण छ।
पछिल्लो समय विश्वमा वैकल्पिक ऊर्जाको विकल्पका रूपमा देखापरेको लि–आयन ब्याट्री सुरक्षित हिसाबले प्रयोग र रिसाइकल गर्नेतर्फ सोच पु¥याउने हो भने यसले पक्कै पनि विश्व बदल्नेछ ऊर्जाको क्षेत्रमा।
यस ब्याट्रीबारे चर्चा गर्दा प्रायः यसको नेगेटिभ इलेक्ट्रोड (एनोड) मा ग्राफाइट र पोजेटिभ इलेक्ट्रोड (क्याथोड) मा लिथियमसहितको मेटल अक्साइड प्रयोग गरेको पाइन्छ। ती दुई इलेक्ट्रोडका बीचमा ‘इलेक्ट्रोलाइट’ का रूपमा ‘लिथियम सल्ट’ भएको अग्र्यानिक रसायन ‘डाइमेथाएल कार्बोनेट’ प्रयोग गरिन्छ। जब ब्याट्रीलाई चार्ज गरिन्छ तब क्याथोडबाट ‘लिथियम आयन’ र इलेक्ट्रोन निस्कन्छ। त्यसमध्ये ‘लिथियम आयन’ इलेक्ट्रोलाइट हुँदै एनोडतर्फ जान्छ। त्यसैगरी इलेक्ट्रोनचाहिँ अर्को बाटो भएर एनोडतर्फ जान्छ। जब ब्याट्रीलाई डिस्चार्ज अर्थात् मोबाइल वा ल्यापटपमा प्रयोग गरिन्छ तब पहिला उल्लेख गरेको भन्दा उल्टो प्रक्रिया ब्याट्रीभित्र हुन्छ। अब ‘लिथियम आयन’ एनोडबाट क्याथोडमा फर्किन्छ। एनोडबाट इलेक्ट्रोन पुरानै बाटो भएर क्याथोडतर्फ जान्छ। फलस्वरूप ल्यापटप वा मोबाइल चार्ज हुन्छ। मोबाइलमा प्रायः एउटा लि–आयन सेल प्रयोग गरेको पाइन्छ तर ल्यापटपमा भने ६ देखि १२ वटा त्यस्ता सेल प्रयोग हुन्छ। इलेक्ट्रिक मोटर र हवाईजहाजमा सयौँको सख्यामा लि–आयन सेल प्रयोग हुन्छ।
यस आविष्कारका लागि वैज्ञानिकहरूलाई उत्प्रेरकको काम भने ७० को दशकमा देखिएको पेट्रोलियम पदार्थको सङ्कटले गराएको थियो। प्राप्त जानकारीअनुसार पहिला वैज्ञानिक एम स्टान्ले ह्विटिङ्घामले लिथियम ब्याट्रीको विकास गर्ने अनुसन्धान प्रारम्भ गरेका थिए। उनले अनुसन्धानको सुरुवातमा ‘टाइटानियम सल्फाइड’ लाई क्याथोडमा र लिथियमलाई एनोडमा प्रयोग गरेका थिए। यस ब्याट्रीबाट २ भोल्टको करेन्ट पैदा भएको थियो। तर यो प्रयोगमा आउन सकेन किनकि यसमा लिथियम धातु सिधै प्रयोग भएका कारण ब्याट्री खतराजनक थियो र करेन्टको मात्रा पनि कम थियो। स्मरण रहोस्, लिथियम अत्यन्त रिआक्टिव (प्रतिक्रियाशील) धातु हो।
अचेल मोबाइल फोन, ट्याब्लेट, ल्यापटप, इलेक्ट्रिक मोटर÷कारलगायतमा रिचार्ज गर्न सकिने ब्याट्री प्रयोग हुँदै आएको छ। जसलाई लिथियम आयन (लि–आयन) ब्याट्री भनिन्छ। यस वर्षको रसायनशास्त्रतर्फको नोबेल पुरस्कार यसै ब्याट्रीको विकासमा लागेका तीनजना वैज्ञानिकलाई संयुक्तरूपमा प्रदान गरिएको छ।
त्यसपछि अनुसन्धानलाई थप रोचक बनाउने काम प्राध्यापक गुडइनफले गरे। उनले ब्याट्रीको क्याथोडमा ‘टाइटानियम सल्फाइड’ को सट्टा ‘मेटल अक्साइड’ प्रयोग गरेका थिए। सन् १९८० मा गुडइनफले ‘कोबाल्ट अक्साइड’ लाई क्याथोडमा प्रयोग गरेर चार भोल्टको ब्याट्री बनाएका थिए। यसैगरी अनुसन्धानमा थप आयाम थप्दै नोबेल पुरस्कार विजेता अकिरा योसिनोले लिथियमलाई सिधै एनोडमा प्रयोग गर्नुको सट्टा ‘पेट्रोलियम कोक’ अर्थात् कार्बन प्रयोग गरेका थिए। उनले सन् १९८५ मा पहिलो लि–आयन ब्याट्री बनाएका थिए।
त्यसैगरी सोही वर्ष मोरक्कोका अर्का वैज्ञानिक ‘रचिड अल याजामी’ ले ब्याट्रीको एनोडमा ग्राफाइट प्रयोग गर्न सकिने दर्जनौँ नयाँ शोध प्रकाशमा ल्याएका थिए। र, त्यसको ६ वर्षपछाडि अर्थात् सन् १९९१ मा जापनिज कम्पनी ‘सोनी’ ले पहिलो रिचार्जेबल लि–आयन ब्याट्री बजारमा ल्याएको थियो। यस्ता ब्याट्री हलुका, बलियो र सयौँ पटक रिचार्ज गर्न मिल्ने हुन्छन्। ब्याट्रीभित्र केमिकल क्रिया (रिआक्सन) नहुने भएकाले इलेक्ट्रोड छिटो बिग्रिने समस्या हुँदैन। हाल बजारमा रिचार्जेबल ब्याट्री अरू पनि छन् र तिनको मुख्य समस्या भनेको समयसँगै स्वयम् डिस्चार्ज हुनु हो तर लि–आयन ब्याट्रीमा यो समस्या कम छ।
हाल विश्वमा नवीकरणीय ऊर्जाउन्मुख अनुसन्धानलाई प्राथमिकता दिएको पाइन्छ। त्यसै भएर लि–आयन जस्ता ब्याट्रीको विकासमा सबैको ध्यान आकृष्ट भएको छ। अमेरिकाको ‘नेसनल एकेडेमी अफ इन्जिनियरिङ’ ले सन् २०१४ मा जोन बि गुडइनफ, रचिड अल याजामी, अकिरा योसिनो र योसिनो निशीलाई संयुक्तरूपमा लि–आयन ब्याट्रीको अनुसन्धानका लागि प्रसिद्ध ‘चाल्र्स स्टार्क ड्रेपर पुरस्कार’ प्रदान गरेको थियो जसलाई इन्जिनियरिङतर्फको नोबेल पुरस्कार पनि मानिन्छ। यसै सन्दर्भमा मोरक्कोका वैज्ञानिक ‘रचिड अल याजामी’ ले लि–आयन ब्याट्रीसम्बन्धी अनुसन्धानमा सयौँ शोध लेख प्रकाशन गरे पनि नोबेल कमिटीले अन्यायपूर्वक उनलाई पुरस्कार नदिएको भनी सामाजिक सञ्चालनमा विरोधका स्वर सुनिएको छ।
प्रायः विकसित देशहरूले नोबेल पुरस्कार छनोटमा कम विकसित देशहरूलाई विभेद गर्ने गरेको सन्देश यसपटक पनि आएको छ। वैज्ञानिक अनुसन्धानको दायरा असीमित हुन्छ भनेझैँ अचेल ‘लि–आयन’ लाई भविष्यमा बिस्थापित गर्ने उद्देश्यले सुपर चार्जिङ ब्याट्री, रिडक्स फ्लो ब्याट्री, हाइड्रोजन फ्युल सेल आदिको पनि चर्चा हुन थालेको छ। जसमा विश्वका उत्कृष्ट विश्वविद्यालयमा थप अनुसन्धान जारी छ। रसायनशास्त्र केन्द्रीय विभाग, त्रिभुवन विश्वविद्यालयमा प्राध्यापक डा. अमरप्रसाद यादवको प्रयोगशालामा पनि यसै क्षेत्र अर्थात् ‘इलेक्ट्रोकेमेस्ट्री’ मा अनुसन्धान भइरहेको छ।
शोधको पृष्ठभूमि
यो ब्याट्रीमा प्रयोग हुने लिथियम भन्ने धातुलाई स्विडिस रसायनशास्त्रीले सन् १८१७ मा खानीबाट निकालेका थिए। तर शुद्ध धातु होइन ‘धातु अयस्क (ओर)’ को रूपमा। यो तामा, फलाम जस्तो बलियो र स्थिरखालको धातु होइन। यसले अरूसँग छिटै रिआक्सन गर्छ। तर यसमा एउटा राम्रो गुण पनि छ जसका कारण यसलाई ब्याट्री बनाउन प्रयोग गरिएको हो। धातुले इलेक्ट्रोन दिन सक्ने क्षमतालाई त्यसको ‘इलेक्ट्रोकेमिकल पोटेन्सियल’ भनिन्छ। धातुले जति सजिलै इलेक्ट्रोन दिन सक्छ त्यति नै बढी त्यसको ‘इलेक्ट्रोकेमिकल पोटेन्सियल’ क्षमता भएको मानिन्छ। रसायनशास्त्रको शब्दमा लिथियमको ‘इलेक्ट्रोकेमिकल पोटेन्सियल’ अन्य धातुको तुलनामा सबैभन्दा बढी छ। त्यस कारण लिथियमले छिट्टै एउटा ‘इलेक्ट्रोन’ दिएर ‘आयन’ मा बदलिन सक्छ।
पहिला पनि बजारमा रिचार्जेबल ब्याट्री थिए। सन् १८५९ मा लेड ब्याट्रीको विकास भएको थियो जुन आजसम्म पेट्रोलबाट चल्ने मोटर÷कारमा प्रयोग हुँदै आएको छ। त्यसैगरी वैज्ञानिकहरूले सन् १८९९ मा अर्को रिचार्जेबल ‘निकेल–क्याडमियम’ ब्याट्री विकास गरेका थिए। तर यी दुवै ब्याट्रीमा वातावरणका लागि अत्यन्त घातक क्यान्सर गराउने रसायन प्रयोग हुने भएकाले हाल विश्वको ध्यान तिनको बिस्थापनमा केन्द्रित भएको छ।
७० को दशकमा विश्वमा पेट्रोलियम पदार्थ छिटै सकिने अनुमान गर्दै तेलको व्यापार गर्ने कम्पनी ‘एक्जोन’ ले आफ्नो व्यापार विविधीकरण गर्ने उद्देश्यले वैकल्पिक ऊर्जाको अनुसन्धानमा लगानी गर्न सुरु गरेको थियो। परिणामस्वरूप अमेरिकाको प्रसिद्ध स्टानफोर्ड युनिभर्सिटीका प्राध्यापक ह्विटिङ्घामले सन् १९७२ मा उक्त ‘एक्जोन’ कम्पनीका लागि अनुसन्धान सुरु गरेका थिए। त्यही अनुसन्धानको पृष्ठभूमिमा दुई दशकभित्रै (१९७२–१९९१) लि–आयन ब्याट्रीको विकास गर्न वैज्ञानिकहरू सफल भएका हुन।
अवगुण
लि–आयन ब्याट्रीलाई बढी चार्ज गर्नुहुँदैन। सामान्यतया हाल बजारमा पाइने यस्ता सेल वा ब्याट्रीलाई पाँच सयदेखि एक हजारपटकसम्म चार्ज गर्न मिल्छ। त्यसपछि ब्याट्रीको शक्ति कमजोर हुँदै जान्छ र यसलाई बदल्नुपर्छ। लि–आयन ब्याट्री सर्ट सर्किटका कारण पड्किने गर्छ। सेलमा एनोड र क्याथोड छुटाउन राखिने सेपरेटर (विभाजक) मा समस्या भएपछि ‘सर्ट सर्किट’ हुन्छ। त्यसका विविध कारण छन्। ब्याट्रीलाई बढी चार्ज गर्दा क्याथोडमा भएको मेटल अक्साइडले अक्सिजन पैदा गर्छ जसका कारण सेलभित्र आगो लाग्ने सम्भावना हुन्छ।
त्यसैगरी ब्याट्रीलाई बढी चार्ज गर्दा ‘इलेक्ट्रोलाइट’ का रूपमा प्रयोग भएको अग्र्यानिक रसायन टुक्रिएर कार्बनडाइअक्साइड निस्कन्छ जसका कारण सेलभित्र अत्यधिक प्रेसर बढ्न गई ब्याट्री पड्किन्छ। तातोमा ब्याट्री राख्दा पनि पड्कन सक्छ।
लिथियम छिटो रिआक्सन हुने धातु भएको र ब्याट्रीमा ‘सर्ट सर्किट’ हुने सम्भावना ज्यादा भएकाले हवाईजहाज यात्रामा यसको निश्चित परिणाम तोक्ने गरिन्छ। लि–आयन ब्याट्री उत्पादन खर्च अन्य ब्याट्रीको तुलनामा करिब ४० प्रतिशत बढी हुन्छ त्यसैले सुरुको लागत यसमा बढी हुन्छ।
अन्तमा, पछिल्लो समय विश्वमा वैकल्पिक ऊर्जाको विकल्पका रूपमा देखापरेको लि–आयन ब्याट्री सुरक्षित हिसाबले प्रयोग र रिसाइकल गर्नेतर्फ सोच पु¥याउने हो भने यसले पक्कै पनि विश्व बदल्नेछ ऊर्जाको क्षेत्रमा। (प्राध्यापक, त्रिभुवन विश्वविद्यालय)
प्रकाशित: २७ आश्विन २०७६ ०३:१५ सोमबार