रसायन विज्ञान के लिए 2019 का नोबेल पुरस्कार जॉन बी गुडेनो, एम स्टेनली व्हिटिंगम और अकीरा योशिनो को व्यावहारिक लिथियम-आयन बैटरी के विकास की दिशा में काम करने के लिए दिया गया। ये बैटरियां बेतार प्रौद्योगिकी क्रांति की वह प्रतिमा हैं जो पोर्टेबल कॉम्पैक्ट डिस्क प्लेयर, डिजिटल रिस्ट वॉच, लैपटॉप और आज के मोबाइल फोन को संभव बनाती हैं। इसे उन इलेक्ट्रिक कारों के जीवाश्म मुक्त भविष्य के लिए भी महत्वपूर्ण माना जाता है जो सरकारें जलवायु परिवर्तन को संबोधित करने की परिकल्पना करती हैं। स्टेट यूनिवर्सिटी न्यूयॉर्क के बिंघमटन विश्वविद्यालय के रसायनशास्त्री स्टेनली व्हिटिंगम तेल-एक्सन एक्सॉन में थे, जब उन्होंने लिथियम आयन बैटरी के विकास में योगदान दिया। गुडएनफ, जिन्होंने सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग का अध्ययन करने से पहले द्वितीय विश्व युद्ध में संयुक्त राज्य अमेरिका की सेना में सेवा की, 97 साल की उम्र में नोबेल पुरस्कार विजेता बने। योशिनो, मीजो विश्वविद्यालय, जापान में एक प्रोफेसर, असाही केसी कॉरपोरेशन में थे, जो जापान की सबसे बड़ी रासायनिक और भौतिक विज्ञान कंपनियों में से एक है।

लिथियम आयन बैटरी महत्वपूर्ण क्यों हैं?

1960 के दशक तक दुनिया भर में पेट्रोल चालित कारों का प्रसार हुआ था। हालांकि, यह अहसास हो गया कि इस जीवाश्म ईंधन का जलना पर्यावरण के लिए हानिकारक है और कोयले के साथ-साथ प्रमुख शहरों में धुंध छाने के लिए जिम्मेदार है। इसके अलावा, जीवाश्म ईंधन सीमित था और वैकल्पिक ईंधन स्रोतों को विकसित करने के लिए अनुसंधान शुरू किया गया था। 19 वीं सदी की शुरुआत से, रासायनिक बैटरियों रही हैं। इनमें दो इलेक्ट्रोड होते हैं जिनके बीच इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है और एक करंट उत्पन्न होता है। ऐसी बैटरियों की चुनौती उपयुक्त इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट चुनना है, जो वर्तमान की मध्यस्थता करता है, और बहुत अधिक स्थान पर कब्जा किए बिना कमरे के तापमान पर पर्याप्त करंट उत्पन्न करता है।

लीड एसिड बैटरी – अभी भी इंजन और पावर हेडलाइट्स और पावर विंडो शुरू करने के लिए कारों में उपयोग की जाती हैं – कार इंजन के रूप में व्यावहारिक रूप से कार्य करने के लिए बहुत तेज़ हैं। एक्सॉन, जो तेल के स्टॉक में कमी के बारे में चिंतित था, ने जीवाश्म ईंधन के विकल्प खोजने के लिए शीर्ष शोधकर्ताओं को कमीशन दिया।

उनमें से एक, व्हिटिंगहम ने ठोस पदार्थों का अध्ययन किया जिनके परमाणुओं के बीच रिक्त स्थान था। उनमें सकारात्मक रूप से आवेशित आयनों को फिट करना – एक प्रक्रिया जिसे इंटरक्लेरेशन कहा जाता है – ने उनके गुणों को बदल दिया और व्हिटिंगहैम ने पाया कि पोटेशियम आयन जब एक अत्यंत ऊर्जा-घने सामग्री के लिए टाइटेनियम में बना होता है। लिथियम भी एक प्रकाश तत्व है और एक इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोगी है, उन्होंने पाया। एक बैटरी में, इलेक्ट्रॉनों को नकारात्मक इलेक्ट्रोड से प्रवाहित होना चाहिए – एनोड – सकारात्मक एक – कैथोड। इसलिए, एनोड में एक सामग्री होनी चाहिए जो आसानी से अपने इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देती है और लिथियम स्वेच्छा से इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देती है। यह एक आदर्श बैटरी के लिए बनाया गया है।

क्या व्हिटिंगहैम की बैटरी सफल थी?

एक्सॉन उत्पाद से प्रभावित था और उसने व्यावसायिक रूप से बैटरी बनाने के साथ आगे बढ़ने का फैसला किया। हालांकि, बाद के परीक्षणों से समस्याओं का पता चला। जैसा कि नई लिथियम बैटरी को बार-बार चार्ज किया गया था, लिथियम के पतले टुकड़े लिथियम इलेक्ट्रोड से बढ़े थे। जब वे दूसरे इलेक्ट्रोड, या कैथोड पर पहुँचे, तो बैटरी शॉर्ट-सर्किट हो गई जिससे विस्फोट हो सकता है। बैटरी को सुरक्षित बनाने के लिए, एल्यूमीनियम को धातु लिथियम इलेक्ट्रोड में जोड़ा गया और इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रोलाइट को बदल दिया गया। इस प्रकार बनाई गई बैटरियां छोटी थीं और अगला कदम उन्हें कारों में इस्तेमाल होने के लिए काफी बड़ा बनाना था। हालांकि, 1980 के दशक की शुरुआत में तेल की कीमत कम हो गई और एक्सॉन को कटबैक बनाने की जरूरत पड़ी और विकास कार्य बंद कर दिया गया।

गुडएनफ और योशिनो के योगदान क्या थे?

गुडएनफ ने अकार्बनिक रसायन विज्ञान के प्रोफेसर के रूप में ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय का रुख किया था और उन्होंने व्हिटिंगहैम की बैटरी को बेहतर बनाने के लिए काम किया। उन्होंने अंततः पाया कि कैथोड एक उच्च क्षमता हो सकती है अगर इसे धातु सल्फाइड के बजाय धातु ऑक्साइड का उपयोग करके बनाया गया था। गुडएनफ और उनके सहयोगियों के लिए चुनौती एक धातु ऑक्साइड को खोजने की थी जो एक उच्च वोल्टेज का उत्पादन करती थी जब यह लिथियम आयनों को आपस में मिलाता था, लेकिन जब आयनों को हटा दिया गया था, तो वह नहीं गिरा। आखिरकार उन्होंने कैथोड में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड के साथ एक बैटरी का उपयोग किया, जो कि व्हिटिंगहैम की बैटरी से लगभग दोगुनी शक्तिशाली थी।

गुडएनफ की प्रमुख अंतर्दृष्टि यह थी कि बैटरी को अपने आवेशित राज्य में निर्मित नहीं करना पड़ता था, जैसा कि पहले किया गया था। इसके बजाय, उन्हें बाद में चार्ज किया जा सकता है।

1980 में, एक नई ऊर्जा-घनी कैथोड सामग्री उपलब्ध थी, जो अपने कम वजन के बावजूद, शक्तिशाली, उच्च क्षमता वाली बैटरी के परिणामस्वरूप थी। हालांकि, इससे ऑटोमोबाइल क्रांति नहीं हुई, लेकिन एक वायरलेस-इलेक्ट्रॉनिक्स क्रांति शुरू हो गई।

यह तब था जब योशिनो तस्वीर में आया था। जापान में उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स कंपनियां प्रकाश, रिचार्जेबल बैटरी की तलाश कर रही थीं, जो वीडियो कैमरा, ताररहित टेलीफोन और कंप्यूटर को बिजली दे सकें। योशिनो, जो असाही कसी कॉरपोरेशन में काम कर रहे थे, ने गुडेनो के लिथियम-कोबाल्ट डिज़ाइन को एक वर्किंग टेम्पलेट के रूप में इस्तेमाल किया और विभिन्न कार्बन-आधारित सामग्रियों को एनोड के रूप में आज़माया।

शोधकर्ताओं ने पहले दिखाया था कि लिथियम आयनों को ग्रेफाइट में आणविक परतों में रखा जा सकता है, लेकिन बैटरी के इलेक्ट्रोलाइट द्वारा ग्रेफाइट को तोड़ दिया गया। योशिनो ने पेट्रोलियम कोक, तेल उद्योग के एक उप-उत्पाद का उपयोग किया, और जब उन्होंने इलेक्ट्रॉनों के साथ पेट्रोलियम कोक को चार्ज किया, तो लिथियम आयनों को सामग्री में खींचा गया। जब उन्होंने बैटरी चालू की, तो कैथोड में ऑक्सोन और लिथियम आयन कोबाल्ट ऑक्साइड की ओर बह गए।

हालांकि योशिनो की बैटरी में उत्पन्न वोल्टेज 4 वोल्ट पर गुडएनफ की बैटरी के समान था, यह एक स्थिर बैटरी थी – इसकी लंबी आयु थी और इसके प्रदर्शन बिगड़ने से पहले कई बार चार्ज किया जा सकता था। इसके अलावा, बैटरी को शुद्ध लिथियम से डिज़ाइन किया गया है जो बेहद अस्थिर है और हवा और पानी के संपर्क में है। लिथियम कोबाल्ट डिजाइन सुरक्षित था और इसे विभिन्न आकारों और स्थितियों में निर्मित किया जा सकता था।

इस डिज़ाइन में बाद में भी सुधार हुए हैं और इसने स्मार्ट फोन और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयोग करने योग्य बना दिया है जिन्हें रिचार्जेबल बैटरी की आवश्यकता होती है।

Source: The Hindu

Relevant for GS Prelims & Mains Paper III; Science & Technology