لتیم پر مبنی بیٹریاں، چاہے وہ سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں ہوں یا روایتی لتیم آئن بیٹریاں، ان کی ساخت ایک جیسی ہوتی ہے۔ دو الیکٹروڈ (مثبت اور منفی) ہیں جن کے درمیان ایک جداکار ہے۔ چارجنگ کے دوران، آئن مثبت الیکٹروڈ (کیتھوڈ) سے منفی الیکٹروڈ (اینوڈ) میں منتقل ہوتے ہیں، اور خارج ہونے کے دوران، آئن دوبارہ منتقل ہوجاتے ہیں۔ الیکٹران کے لیے جھلی کی ناپائیداری کی وجہ سے، الیکٹران منسلک بوجھ (جیسے لیمپ) سے گزریں گے اور اسے روشن کرنے کا سبب بنیں گے (خاص طور پر سالڈ اسٹیٹ بیٹری کی تعمیر کے بارے میں مزید معلومات کے لیے، براہ کرم یہاں دیکھیں)۔
اس تفصیل کو یہ بتانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے کہ بوجھ میں کرنٹ کیوں بہتا ہے، لیکن یہ سمجھنے کے لیے کافی نہیں ہے کہ توانائی کہاں سے آتی ہے۔ لہذا، بیٹریوں کے افعال پر مزید گہرائی سے تحقیق کرنے کی ضرورت ہے۔
بیٹری وولٹیج ونڈو
سب سے پہلے، یہ واضح کرنا ضروری ہے کہ مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان وولٹیج کیوں ماپا جا سکتا ہے. لیتھیم پر مبنی بیٹریوں کی وولٹیج ونڈو کی تعریف منفی اور مثبت الیکٹروڈز پر ہونے والے جزوی رد عمل سے ہوتی ہے، اور اسی کے مطابق وہاں ہونے والے رد عمل پر منحصر ہوتی ہے۔ بیٹری کے دو قطبوں پر قابل پیمائش وولٹیج ہر الیکٹروڈ سے پیدا ہونے والے وولٹیج میں فرق ہے:
UOC=U-negative pole - U- مثبت قطب
منفی اور مثبت الیکٹروڈز کا وولٹیج ایک مقررہ قدر نہیں ہے، لیکن یہ بیٹری کی چارجنگ کی حالت پر منحصر ہے۔ تاہم، الیکٹروڈ کے لیے مقررہ قدریں اکثر ادب میں فراہم کی جاتی ہیں (مثلاً 3.9 V کا LCO)۔ یہ عام طور پر اوسط وولٹیج کے مساوی ہوتے ہیں۔
اعداد و شمار ظاہر کرتا ہے کہ بیٹری کے حتمی وولٹیج کو منفی اور مثبت الیکٹروڈ پوٹینشل سے کیسے اخذ کیا جاتا ہے (مثال کے طور پر بیٹری LCO|گریفائٹ پر دکھایا گیا ہے)۔ ایکس محور الیکٹروڈ میں متناسب طور پر پابند لتیم کی مقدار کو دکھاتا ہے۔ ایک (مثالی) پوری بیٹری x=1 کے لیے، خالی بیٹری x=0 کے لیے۔
بیٹری کے مثبت اور منفی ٹرمینلز پر قابل پیمائش وولٹیج لیتھیم اور الیکٹروڈ کے درمیان کیمیائی عمل سے پیدا ہوتا ہے۔ مندرجہ ذیل مثال کے طور پر LCO (لتیم کوبالٹ آکسائیڈ) مثبت الیکٹروڈ کا استعمال کرتے ہوئے مزید تفصیلی وضاحت فراہم کرے گا۔ شکل 2 LCO کے خارج ہونے کے عمل کو ظاہر کرتا ہے|گریفائٹ بیٹری. یہ ایک لتیم آئن بیٹری ہے جس میں مائع الیکٹرولائٹ ہے۔ اصولی طور پر، یہ ڈیزائن سالڈ سٹیٹ بیٹریوں پر بھی لاگو ہوتا ہے، حالانکہ LCO اور خالص گریفائٹ بطور الیکٹروڈ مواد غیر معمولی ہیں اور مزید ترقی یافتہ مواد استعمال کرتے ہیں (جیسے سلیکون گریفائٹ بطور منفی الیکٹروڈ اور NMC811 مثبت الیکٹروڈ کے طور پر)۔
وولٹیج منفی اور مثبت الیکٹروڈ کے لتیم آئن چارجنگ اور ڈسچارج کے عمل سے پیدا ہوتا ہے۔ تصویر میں دکھایا گیا رد عمل سالڈ سٹیٹ بیٹریوں پر بھی لاگو ہوتا ہے، لیکن یہاں منتخب کردہ مواد عام نہیں ہیں اور صرف حوالہ کے لیے ہیں۔
خارج ہونے والے عمل کے دوران، لتیم آئن منفی الیکٹروڈ سے مثبت الیکٹروڈ کی طرف ہجرت کرتے ہیں۔ LCO ایک پرتوں والی ساخت کے ساتھ ایک مثبت الیکٹروڈ ہے۔ خارج ہونے والے عمل کے دوران، لتیم کوبالٹ آکسائیڈ کی تہوں کے درمیان انٹرکیلیٹ کرتا ہے۔ لتیم اور کوبالٹ آکسائیڈ کے درمیان ردعمل کی مساوات مندرجہ ذیل ہے:
CoO2 + e– + Li+ → LiCoO2
بیرونی طور پر قابل پیمائش وولٹیج کی پیداوار تہہ دار آکسائیڈ کی ہر تہہ میں لتیم کے باہمی تعامل اور اس خارجی عمل کے دوران خارج ہونے والی توانائی کی وجہ سے ہوتی ہے۔ نام نہاد نیرنسٹ مساوات کی مدد سے، آدھے سیل کے وولٹیج کا حساب بیٹری میں موجود مادوں کے ارتکاز کی بنیاد پر کیا جا سکتا ہے:
Ured {{0}} U(0,red) – (RT / (ze F)) * ln (ریڈ / اوکس)
U0، سرخ: الیکٹروڈ پوٹینشل (الیکٹرو کیمیکل وولٹیج سیریز ٹیبل سے پڑھا جا سکتا ہے)
R: یونیورسل گیس مستقل
T: درجہ حرارت (کیلون)
ze: منتقل شدہ الیکٹرانوں کی تعداد: منتقل شدہ الیکٹرانوں کی تعداد (لتیم میں صرف ایک والینس الیکٹران ہے، لہذا یہاں یہ 1 ہے)
F: فیراڈے مستقل
سرخ، بیل: مختلف ریڈوکس ری ایکٹنٹس کا ارتکاز
الیکٹروڈ چارج حالت کی تبدیلی کے ساتھ ریڈوکس ری ایکٹنٹس کا ارتکاز مختلف ہوتا ہے۔ لہذا، پیدا شدہ الیکٹروڈ وولٹیج بنیادی طور پر الیکٹروڈ پوٹینشل پر منحصر ہے، جو درجہ حرارت اور چارج حالت کی بنیاد پر کیلیبریٹ کیا جاتا ہے۔ یہ بتانا چاہیے کہ بیٹری میں کچھ ثانوی رد عمل بھی رونما ہوتے ہیں، جو کہ پیدا ہونے والے وولٹیج کو بھی متاثر کرتے ہیں، اس لیے مذکورہ مساوات کو صرف پہلے تخمینہ کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔
الیکٹروڈ پوٹینشل پر نرنسٹ مساوات کے مضبوط انحصار کی وجہ سے، ہم یہاں سب سے زیادہ الیکٹروڈ پوٹینشل والے عنصر کو منتخب کرنے کی کوشش کرتے ہیں۔ متواتر جدول کے دائیں طرف کے عناصر یہاں زیادہ تناسب تک پہنچ گئے ہیں کیونکہ عناصر کا آئنک رداس کم ہو گیا ہے، اور الیکٹران زیادہ مضبوطی سے ایٹم نیوکلئس کی طرف متوجہ ہوتے ہیں۔ ایک مضبوط ایٹمی قوت الیکٹروڈ کی اعلی صلاحیت کا باعث بنے گی۔
یہ کنکشن یہ بھی بتاتا ہے کہ کیوں LCO (LixCoO2) اور NMC811 کو مثبت الیکٹروڈ مواد کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ منتقلی دھاتوں میں، یہ وہ مرکبات ہیں جن کا نصف سیل وولٹیج سب سے زیادہ ہے۔
وولٹیج ونڈو کی حدود
بیٹری کی قابل اجازت وولٹیج کی حد نہ صرف الیکٹروڈز سے متاثر ہوتی ہے بلکہ استعمال شدہ الیکٹرولائٹ کی الیکٹرو کیمیکل ونڈو سے بھی محدود ہوتی ہے۔ خاص طور پر مائع الیکٹرولائٹس 4.5V سے زیادہ وولٹیج کو برداشت نہیں کر سکتے، کیونکہ مثبت الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان طفیلی رد عمل ہوتا ہے، جس سے الیکٹرولائٹ کی سست سڑتی ہوتی ہے۔ سالڈ اسٹیٹ بیٹریاں درمیانی مدت میں اس حد پر قابو پانے کے قابل ہوسکتی ہیں۔ مثال کے طور پر، آکسائیڈ الیکٹرولائٹس میں خاص طور پر وسیع وولٹیج کی کھڑکی ہوتی ہے، جبکہ سلفائیڈ الیکٹرولائٹس بھی اضافی حفاظتی تہوں کے اضافے کے ساتھ زیادہ وولٹیج کو برداشت کرنے کے قابل ہو سکتی ہیں۔
وولٹیج ونڈو کی دوسری اہم حد یہ ہے کہ بیٹری کی مکمل فزیکل وولٹیج ونڈو کو استعمال کرنا عام طور پر ممکن نہیں ہوتا ہے۔ LCO کیتھوڈس کے لیے، کوبالٹ کی تہہ سے لتیم کو 70% سے زیادہ تحلیل کرنا ناممکن ہے، کیونکہ یہ کیتھوڈ کی میکانکی ساخت کو کمزور کر دیتا ہے اور تیزی سے بڑھاپے کا باعث بنتا ہے۔ لہذا، Li/Li+ کے مقابلے، LCO بیٹریوں کا وولٹیج 4.2V تک محدود ہے۔ منفی الیکٹروڈ کے لحاظ سے، عام طور پر تمام لتیم آئنوں کو ہٹانا ممکن نہیں ہے، لہذا کچھ لتیم آئن اب بھی منفی الیکٹروڈ میں رہتے ہیں، اس طرح زیادہ سے زیادہ قابل حصول صلاحیت کو کم کر دیتے ہیں۔
بیٹری کی صلاحیت کا تعین
بیٹری کے لیے زیادہ سے زیادہ صلاحیت فراہم کرنے کے لیے، منفی اور مثبت الیکٹروڈز کو مناسب طریقے سے ایڈجسٹ کیا جانا چاہیے تاکہ چارجنگ کے عمل کے دوران، مثبت الیکٹروڈ سے نکلنے والے تمام لیتھیم آئن منفی الیکٹروڈ کے ڈھانچے میں اسٹوریج کی جگہ تلاش کر سکیں۔ منفی الیکٹروڈ کے سائز اور مثبت الیکٹروڈ کے سائز کے درمیان تناسب کو N/P تناسب کہا جاتا ہے، جہاں N منفی الیکٹروڈ کے بڑے پیمانے پر حصہ بیان کرتا ہے اور P مثبت الیکٹروڈ کے بڑے حصے کو بیان کرتا ہے۔ اس حقیقت کی وجہ سے کہ مثبت الیکٹروڈ سے نکلنے والے ہر لیتھیم آئن کو منفی الیکٹروڈ پر ایک پوزیشن تلاش کرنا ضروری ہے، سائز کا تناسب N/P ≈ 1۔ تاہم، لیتھیم آئنوں کے لیے ہمیشہ منفی الیکٹروڈ پر پوزیشن تلاش کرنا مشکل ہے۔ تیز چارجنگ کے دوران، لیتھیم آئن منفی الیکٹروڈ (لیتھیم چڑھانا) پر جمع ہوتے ہیں کیونکہ وہ منفی الیکٹروڈ کے ڈھانچے میں خالی جگہوں کو تیزی سے تلاش نہیں کرسکتے ہیں۔ لیتھیم چڑھانا بیٹریوں کو نقصان پہنچانے والے اہم میکانزم میں سے ایک ہونے کی وجہ سے، منفی الیکٹروڈز کا تناسب قدرے بڑھ جاتا ہے (N/P ≈ 104-1.2)، تاکہ آئنوں کو بیکار جگہوں کو تلاش کرنے کی ضرورت نہ پڑے بہت لمبا
مختلف فعال مواد کی صلاحیت عام طور پر Ah/kg میں دی جاتی ہے اور اس کا حساب لگایا جا سکتا ہے۔ حساب کتاب صرف فعال مواد پر غور کرتا ہے۔ الیکٹروڈ نظریاتی صلاحیت کے حساب میں کیمیکل additives، رابطے کی سطحوں، حفاظتی تہوں، وغیرہ کو نظر انداز کیا جاتا ہے. حساب لگاتے وقت، سب سے پہلے الیکٹروڈ مواد کی کمیت کا تعین کریں (کلوگرام/مول میں)۔ اس قدر کا حساب مولر ماس سے لگایا جا سکتا ہے یا تلاش کی میز سے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ LCO کے لیے، مولر ماس 0.09788 کلوگرام/مول ہے۔ دوسرے مرحلے میں، ایوگاڈرو کانسٹینٹ کا استعمال یہ حساب کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے کہ ایک کلو گرام الیکٹروڈ مواد میں کتنے مالیکیول موجود ہیں (LCO کے لیے، یہ 6.15*10^24 ایٹم فی کلوگرام ہے)۔
ایک الکلی دھات (پہلے اہم گروپ کا عنصر) کے طور پر، لتیم میں صرف ایک الیکٹران ہوتا ہے جو کیمیائی رد عمل میں حصہ لے سکتا ہے۔ ہر الیکٹران پر منفی بنیادی چارج ہوتا ہے۔ لہذا، ایک لتیم ایٹم ایک بنیادی چارج ای - جاری کر سکتا ہے.
گنجائش کا حساب لگانے کے لیے، اب اس بات پر غور کرنا ضروری ہے کہ خارج ہونے والے عمل کے دوران، ہر لتیم آئن منسلک بوجھ کے ذریعے ایک الیکٹران کو منتقل کرے گا۔ لہذا، صلاحیت ایٹم کے ذریعہ چارج کی مقدار اور ایٹموں کی تعداد کی پیداوار ہے۔ LCO کے لیے، اس کے نتیجے میں 274 Ah/kg کی گنجائش ہوتی ہے۔ دوسرے مثبت اور منفی الیکٹروڈ مواد کی صلاحیت کا بھی اسی طریقے سے حساب لگایا جا سکتا ہے۔
حسابی قدر نظریاتی طور پر قابل حصول توانائی کی کثافت کی نمائندگی کرتی ہے، لیکن یہ عام طور پر اصل قدر کے بہت قریب نہیں ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، LCO کے لیے، چارجنگ کے عمل کے دوران صرف لتیم کا ایک حصہ ہی ہٹایا جا سکتا ہے، اس لیے نظریاتی صلاحیت پوری طرح سے استعمال نہیں ہوتی، اور عملی طور پر حاصل کی جانے والی قدریں نمایاں طور پر کم ہوتی ہیں۔ بہر حال، حسابی ڈیٹا مختلف فعال مواد کا موازنہ کرنے کے لیے ایک اچھا اشارے فراہم کرتا ہے۔
نتیجہ
اس سوال کا جواب واضح ہے کہ لیتھیم بیٹریوں کی توانائی دراصل کہاں سے آتی ہے: اس کی وجہ ریڈوکس رد عمل ہے جو بیٹری میں چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران کم و بیش الٹ پلٹ ہوتے ہیں۔ بیٹری کی ساخت کی وجہ سے، الیکٹران چارجنگ کے دوران چارجر کے ذریعے منفی الیکٹروڈ میں منتقل ہونے پر مجبور ہوتے ہیں۔ نتیجے میں چارج کی منتقلی لیتھیم آئنوں کو منفی الیکٹروڈ میں منتقل کرنے کا سبب بنتی ہے۔ ڈسچارج کے دوران، یہ عمل الٹ جاتا ہے، کرنٹ منسلک بوجھ سے گزرتا ہے اور بجلی کی ترسیل کرتا ہے۔ چارج کی دی گئی حالت میں بیٹری سے پیدا ہونے والے وولٹیج کا حساب نرنسٹ مساوات کا استعمال کرتے ہوئے لگایا جا سکتا ہے اور بنیادی طور پر الیکٹروڈز پر لیتھیم آئنوں کے ارتکاز پر منحصر ہے۔ جتنا زیادہ لیتھیم آئن مثبت الیکٹروڈ کی طرف منتقل ہوتے ہیں، مثبت الیکٹروڈ پر ان کا ارتکاز اتنا ہی زیادہ ہوتا ہے، اور اسی طرح بیٹری وولٹیج میں کمی ہوتی ہے۔
توانائی کی مقدار جو بیٹری فراہم کر سکتی ہے اس کا انحصار اس کی صلاحیت پر ہے۔ صلاحیت ایک مادی مخصوص متغیر ہے جسے سادہ مساوات کا استعمال کرتے ہوئے مادی ڈیٹا سے براہ راست شمار کیا جا سکتا ہے۔
تمام حسابی پیرامیٹرز نظریاتی (زیادہ سے زیادہ) اقدار کی نمائندگی کرتے ہیں، جو عملی طور پر حاصل نہیں کی گئی ہیں۔ وولٹیج الیکٹرولائٹ کے ذریعہ محدود ہے، اور صلاحیت کا مکمل استعمال مثبت الیکٹروڈ کے مکینیکل استحکام کو متاثر کرے گا۔ اس کے علاوہ، لتیم کے پرجیوی جمع کو روکنے کے لیے، ہمیشہ ضرورت سے تھوڑا زیادہ منفی الیکٹروڈ مواد استعمال کیا جاتا ہے۔ ایک اچھے ڈیزائن کے عمل کا مقصد ان تمام اثرات کو متوازن کرنا ہے تاکہ عملی بیٹریاں حاصل کی جا سکیں جو آٹوموٹو کے استعمال میں سینکڑوں سائیکلوں کو برداشت کر سکیں۔ بہترین بیٹری ہمیشہ سمجھوتہ کا نتیجہ ہوتی ہے۔