स्नेहा झा
काठमाडौं । सन् २०१९ को रसायनशास्त्रतर्फको नोबेल पुरस्कार जोन बी. गुडइनफ (John B. Goodenough), एम. स्ट्यान्ली ह्विटिङ्घम (M. Stanley Whittingham) र अकिरा योशिनो (Akira Yoshino) लाई लिथियम-आयन ब्याट्रीको विकासमा पुर्याएको योगदानका लागि प्रदान गरिएको थियो । पुनः चार्ज गर्न सकिने यो ब्याट्रीले मोबाइल फोन, ल्यापटप, ट्याब्लेट, डिजिटल क्यामेरा र विद्युतीय सवारी साधनको विकास सम्भव बनायो । साथै, नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतबाट उत्पादित बिजुली भण्डारण गर्ने प्रणालीमा पनि यसले महत्वपूर्ण भूमिका खेलेको छ ।
यो उपलब्धि केवल प्रविधिको कथा मात्र होइन, ऊर्जा रूपान्तरणको आधारशिला हो । आजको ताररहित डिजिटल जीवनको केन्द्रमा रहेको लिथियम-आयन ब्याट्रीले जीवाश्म इन्धनमुक्त भविष्यको सम्भावना समेत उजागर गरेको छ ।
लिथियम, अत्यन्त हलुका तर अत्यधिक प्रतिक्रियाशील यो तत्व बिग ब्याङका प्रारम्भिक क्षणमै बनेको मानिन्छ । सन् १८१७ मा स्वीडेनका रसायनशास्त्री जोहान अगस्ट आर्फवेड्सन र योन्स याकोब बर्जेलियसले स्टकहोम नजिकैको उटो खानीबाट प्राप्त खनिज नमूनामा लिथियमको पहिचान गरेका थिए ।
बर्जेलियसले यसलाई ग्रीक शब्द 'लिथोस'बाट नाम दिएका थिए, जसको अर्थ “ढुंगा” हुन्छ। नामले भारी सुनिए पनि, लिथियम वास्तवमा सबैभन्दा हल्का ठोस तत्व हो । यही कारणले मोबाइल फोन, ल्यापटप वा अन्य उपकरणहरू अत्यधिक भारी नभई सजिलै बोक्न सकिने बनेका हुन् ।
लिथियमको सबैभन्दा महत्वपूर्ण विशेषता यसको बाहिरी तहमा भएको एउटा मात्र इलेक्ट्रोन हो । त्यो इलेक्ट्रोन सजिलै छोड्न सक्ने भएकाले लिथियम आयन बन्ने प्रक्रिया छिटो हुन्छ । यही गुण ब्याट्रीको ऊर्जा उत्पादनमा उपयोगी साबित भयो । तर शुद्ध लिथियम भने अस्थिर हुन्छ, हावासँग तुरुन्त प्रतिक्रिया गर्ने भएकाले यसलाई तेलमा डुबाएर राख्नुपर्छ ।
ऊर्जा संकटले सुरु गरायो खोजको यात्रा
बीसौँ शताब्दीको मध्यतिर पेट्रोलबाट चल्ने गाडीहरूको संख्या तीव्र रूपमा बढ्दै गयो । त्यससँगै धुँवा, प्रदूषण र ऊर्जा संकटबारे चिन्ता पनि बढ्यो । तेल सीमित स्रोत हो भन्ने बुझाइ बलियो हुँदै जाँदा वैकल्पिक ऊर्जा र विद्युतीय सवारी साधन प्रति चासो बढ्न थाल्यो । तर त्यसका लागि हलुका, शक्तिशाली र लामो समय टिक्ने ब्याट्री आवश्यक थियो ।
त्यतिबेला बजारमा मुख्यतः दुई किसिमका पुनः चार्ज गर्न मिल्ने ब्याट्री थिए, भारी लेड ब्याट्री र निकल-क्याडमियम ब्याट्री । दुवैका आफ्नै सीमा थिए । त्यही सीमिततालाई पार गर्ने प्रयासले लिथियम-आधारित ब्याट्रीको खोजलाई गति दियो ।
सन् १९७० को दशकको प्रारम्भमा स्ट्यान्ली ह्विटिङ्घमले एक्सनमा काम गर्दै गर्दा ठोस पदार्थहरूमा आयन प्रवेश गराउने प्रक्रिया इन्टरकलेसनबारे अध्ययन गरिरहेका थिए । उनले ट्यान्टलम डाइसल्फाइड जस्तो पदार्थमा पोटासियम आयन मिसाएर त्यसको चालकता कसरी बदलिन्छ भन्ने परीक्षण गरे ।
यही क्रममा उनले एउटा महत्वपूर्ण खोज गरे: केही पदार्थमा आयनहरू प्रवेश गर्दा असाधारण रूपमा ऊर्जा भण्डारण गर्न सकिन्छ । पछि उनले ट्यान्टलमको सट्टा टाइटेनियम प्रयोग गरे, किनकि त्यो हलुका थियो । त्यसपछि उनले ब्याट्रीको नकारात्मक इलेक्ट्रोडमा लिथियम प्रयोग गर्ने विचार अघि सारे ।
यसरी पहिलो क्रियाशील लिथियम ब्याट्रीको आधार तयार भयो । त्यो कोठाको तापक्रममा काम गर्थ्यो र ऊर्जा घनत्वका हिसाबले निकै प्रभावकारी थियो । तर समस्या पनि थियो, शुद्ध लिथियमको प्रयोगले ब्याट्री अस्थिर बनाउँथ्यो र चार्ज गर्ने क्रममा सर्ट-सर्किट तथा आगलागीको जोखिम रहन्थ्यो ।
जोन गुडइनफको निर्णायक सुधार
सन् १९८० मा जोन बी. गुडइनफले यो प्रविधिलाई अर्को तहमा पुर्याए । उनले क्याथोडमा टाइटेनियम वा सल्फाइडको सट्टा धातु अक्साइड प्रयोग गर्न सकिने देखाए । विशेष गरी लिथियम-कोबाल्ट अक्साइड प्रयोग गर्दा ब्याट्रीको भोल्टेज झण्डै दोब्बर भयो ।
यो महत्वपूर्ण आविष्कारले ब्याट्रीलाई अझ शक्तिशाली र व्यवहारिक बनायो । गुडइनफको कामले देखायो कि ब्याट्रीलाई पहिल्यै पूर्ण रूपमा चार्ज गरिएको हुनुपर्छ भन्ने छैन; त्यसलाई पछि चार्ज गर्न सकिन्छ । यही विचारले भविष्यको पोर्टेबल इलेक्ट्रोनिक्सका लागि आधार तयार गर्यो ।
अकिरा योशिनो र व्यावसायिक सफलता
सन् १९८५ मा अकिरा योशिनोले लिथियम-आयन ब्याट्रीलाई अझ सुरक्षित र व्यवसायिक रूपमा उपयोगी बनाउने सफलता पाए । उनले क्याथोडमा गुडइनफको लिथियम-कोबाल्ट अक्साइड प्रयोग गरे र एनोडमा कार्बन-आधारित पदार्थ, विशेष गरी पेट्रोलियम कोक, प्रयोग गरे ।
योशिनोको सबैभन्दा महत्वपूर्ण योगदान के थियो भने उनले शुद्ध लिथियम हटाएर ब्याट्रीलाई सुरक्षित बनाए । अब लिथियम आयनहरू इलेक्ट्रोडहरूबीच आवतजावत गर्ने प्रणालीमा काम हुन्थ्यो, जसले ब्याट्रीलाई लामो आयु, स्थायित्व र पुनः प्रयोग गर्न सकिने बनायो ।
सन् १९८६ मा उनले सुरक्षा परीक्षणका क्रममा ब्याट्रीमाथि फलामको भारी टुक्रा खसालेर जाँच पनि गरे । शुद्ध लिथियम भएको ब्याट्री विस्फोट भएको तुलनामा यो नयाँ संरचना धेरै सुरक्षित साबित भयो । यही क्षणलाई उनीहरूले लिथियम-आयन ब्याट्रीको वास्तविक जन्म भने ।
सन् १९९१ मा पहिलो व्यवसायिक लिथियम-आयन ब्याट्री बजारमा आयो । त्यसपछि मोबाइल फोन साँघुरिँदै गए, ल्यापटप हलुका भए, डिजिटल उपकरणहरू पोर्टेबल बने र संसारको सञ्चार शैली नै बदलियो ।
आज लिथियम-आयन ब्याट्री केवल उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्समा सीमित छैन । विद्युतीय कार, सौर्य ऊर्जा भण्डारण, वायु ऊर्जा प्रणाली, र ब्याकअप पावर समाधानमा यसको प्रयोग व्यापक छ । यसले ऊर्जा सुरक्षा र हरित प्रविधिको विकासमा निर्णायक योगदान दिएको छ ।
यद्यपि यसको उत्पादन प्रक्रियाले पनि केही वातावरणीय असर पार्छ, तर यसले जीवाश्म इन्धनमा निर्भरता घटाउन र कार्बन उत्सर्जन कम गर्न दिएको योगदान अझ धेरै ठूलो छ ।
जोन बी. गुडइनफ, एम. स्ट्यान्ली ह्विटिङ्घम र अकिरा योशिनोको अनुसन्धानले केवल एउटा ब्याट्री मात्रै विकास गरेन; उनीहरूले आधुनिक डिजिटल युगको आधार बनाइदिए । लिथियम-आयन ब्याट्रीले ताररहित संसारलाई सम्भव बनायो, नवप्रवर्तनलाई गति दियो, र स्वच्छ ऊर्जा भविष्यतर्फ मानवतालाई एक कदम अगाडि बढायो ।
यो कथा वास्तवमा विज्ञानले कसरी मानव जीवनको दिशा बदल्न सक्छ भन्ने उत्कृष्ट उदाहरण हो ।
