ഗാർഹിക വ്യവസായ മേഖലകളിൽ സർവസാധാരണമായ ഊർജസ്രോതസുകളാണ് ബാറ്ററികൾ. സംഭരിച്ചുവയ്ക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ള രാസോർജത്തെ വൈദ്യുതോർജമാക്കി മാറ്റുന്ന ബാറ്ററിയുടെ ആദിമ രൂപം 1800-ൽ അലസ്സാൻഡ്രോ വോൾട്ട ആണ് അവതരിപ്പിച്ചത്. കഴിഞ്ഞ അരനൂറ്റാണ്ടിനിടയ്ക്ക് ബാറ്ററിയുടെ രൂപത്തിനും ഘടനയ്ക്കും പ്രയോഗത്തിനും വിപ്ളവകരമായ പരിവർത്തനങ്ങൾക്കാണ് ലോകം സാക്ഷ്യം വഹിച്ചത്. മൊബൈൽ ഫോണുകൾ, ലാപ്ടോപ്പുകൾ തുടങ്ങിയ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ, ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ, കൃത്രിമ ഉപഗ്രഹങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ ഒട്ടുമിക്ക മനുഷ്യനിർമ്മിത വസ്തുക്കളുടെയും പ്രയോഗക്ഷമതയിൽ കാതലായ മാറ്റം വരുത്താൻ സഹായിച്ച ലിഥിയം അയോൺ (Li - ion) ബാറ്ററികളുടെ കണ്ടുപിടിത്തത്തിനും പരിഷ്കരണത്തിനും വിലയേറിയ സംഭാവനകൾ നൽകിയ മൂന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞർ 2019ലെ രസതന്ത്രത്തിനുള്ള നോബൽ പുരസ്കാരം പങ്കിട്ടു. എം. സ്റ്റാൻലി വിറ്റിംഗ് ഹാം (ബിങ്ങ് ഹാംടൺ സർവകലാശാല, യു.എസ്.എ), ജോൺ ബി. ഗുഡ് ഇനഫ് (ടെക്സാസ് സർവകലാശാല യു.എസ്.എ), അകിരാ യോഷിനോ (മേയ്ജോ സർവകലാശാല, ജപ്പാൻ) എന്നിവരാണ് പുരസ്കാരത്തിന് അർഹരായവർ.
രസതന്ത്രത്തിന്റെ മാത്രമല്ല, പല ശാസ്ത്രശാഖകളുടെയും അടിസ്ഥാന ശിലയായി കരുതപ്പെടുന്ന ആവർത്തനപ്പട്ടികയിലെ ഭാരം കുറഞ്ഞ മൂലകങ്ങൾ ഗവേഷണ കുതുകികൾക്ക് ഏറ്റവും പ്രിയപ്പെട്ടവയാണ്. ഏറ്റവും ഭാരം കുറഞ്ഞ മൂലകമായ ഹൈഡ്രജനെ ഭാവിയുടെ ഇന്ധനമായി വിശേഷിപ്പിക്കുമ്പോൾ ഏറ്റവും ഭാരം കുറഞ്ഞ ലോഹമൂലകമായ ലിഥിയമാകട്ടെ ബാറ്ററിയുടെ രൂപത്തിൽ കോടിക്കണക്കിനു ജനങ്ങളുടെ ദൈനംദിന ഊർജാവശ്യങ്ങൾ നിറവേറ്റുന്നു.
ഈ വർഷത്തെ രസതന്ത്ര പുരസ്കാരത്തിനു പിന്നിലെ കഥ തുടങ്ങുന്നത് 1970 കളിലാണ്. പ്രമുഖ വ്യാവസായിക രാജ്യങ്ങളെ പിടിച്ചുകുലുക്കിയ പെട്രോളിയം എണ്ണ പ്രതിസന്ധിയാണ് ഫോസിൽ ഇന്ധനങ്ങളിൽ നിന്നു വിടുതൽ നേടാൻ ലോകത്തെ ചിന്തിപ്പിച്ചത്. ഇതിന്റെ അനുരണനങ്ങൾ സൃഷ്ടിച്ച ശാസ്ത്ര പന്ഥാവിലാണ് സ്റ്റാൻലി വിറ്റിങ് ഹാമിന്റെ ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററി പിറവിയെടുക്കുന്നത്. ഏതൊരു വൈദ്യുത സെല്ലിന്റെയും അടിസ്ഥാന ഘടകങ്ങളാണ് പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡായ കാഥോഡ്, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡായ ആനോഡ്, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് എന്നിവ. ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററിയിൽ ഡിസ്ചാർജ് സമയത്ത് ലിഥിയം അയോണുകൾ ആനോഡിൽ നിന്ന് കാഥോഡിലേക്ക് സഞ്ചരിക്കുകയും ചാർജിംഗ് സമയത്ത് കാഥോഡിൽ നിന്ന് ആനോഡിലേക്ക് തിരിച്ചൊഴുകുകയും ചെയ്യുന്നു. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ആനോഡിലും കാഥോഡിലും ഉപയോഗിക്കുന്ന പദാർത്ഥങ്ങൾക്ക് ലിഥിയം അയോണുകളെ തന്റെ തന്മാത്രാ ചട്ടക്കൂടിനുള്ളിൽ പിടിച്ചുവയ്ക്കാനും അതുപോലെ സ്വതന്ത്രമാക്കാനും കഴിവുണ്ടായിരിക്കണം. ഇന്റർകലേഷൻ എന്ന് ഈ പ്രതിഭാസത്തിന് വിളിപ്പേര്. ഇത്തരം ബാറ്ററിയിൽ കാഥോഡ് ആയി ടൈറ്റാനിയം സൾഫൈഡ് ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് കണ്ടെത്തിയതാണ് സ്റ്റാൻലി മിറ്റിങ്ങ് ഹാമിന്റെ നേട്ടം. ഈ പ്രത്യേക പദാർത്ഥത്തിന്റെ തന്മാത്രാ ചട്ടക്കൂടിലെ ശൂന്യസ്ഥലങ്ങളിൽ ലിഥിയം അയോണിന് കയറിക്കൂടാമെന്ന് അദ്ദേഹം തെളിയിച്ചു. പക്ഷേ ആനോഡായി ഉപയോഗിച്ച ലോഹീയ ലിഥിയത്തിനുണ്ടായിരുന്ന പ്രധാന പോരായ്മ എന്തെന്നാൽ അതീവ ക്രിയാശീലത നിമിത്തം പൊട്ടിത്തെറിക്കാനുള്ള സാദ്ധ്യതയുണ്ട് എന്നുള്ളതായിരുന്നു.
എഴുപതുകളിലും എൺപതിന്റെ ആദ്യപകുതിയിലും ഓക്സ്ഫോഡ് സർവകലാശാലയിലെ ഇൻ ഓർഗാനിക് കെമിസ്ട്രി ലബോറട്ടറിയുടെ തലവനായിരുന്ന പ്രൊഫസർ ജോൺ ഗുഡ് ഇനഫ്, 1980-ൽ മെറ്റീരിയൽ റിസർച്ച് ബുള്ളറ്റിനിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ശാസ്ത്ര പ്രബന്ധത്തിൽ ലിഥിയം ടൈറ്റാനിയം സൾഫൈഡിനു ബദലായി ലിഥിയം കൊബാൾട്ട് ഓക്സൈഡ് ഉപയോഗിച്ചാൽ രണ്ടിനു പകരം നാല് വോൾട്ട് വൈദ്യുതി ലഭിക്കുമെന്ന് കണ്ടെത്തി. ഉയർന്ന ഊർജക്ഷമതയുള്ള ശക്തിയേറിയ ബാറ്ററികൾ പിറവിയെടുക്കുന്നതിന് ഈ കണ്ടെത്തൽ നിർണായകമായി. 1985-ൽ ജാപ്പനീസ് രസതന്ത്രജ്ഞനായ അകിര യോഷിനോ ആദ്യമായി വാണിജ്യാടിസ്ഥാനത്തിൽ വിപണനം നടത്താവുന്ന രൂപത്തിൽ ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററി നിർമ്മിച്ചു. ക്രിയാശീലത കൂടിയ ലിഥിയം ലോഹത്തെ ആനോഡിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനു പകരം പെട്രോളിയം കോക്ക് എന്ന കാർബൺ രൂപാന്തരത്തിന്റെ തന്മാത്രാ ചട്ടക്കൂടിനുള്ളിൽ ലിഥിയം അയോണുകളെ പ്രതിഷ്ഠിച്ചു. 1991ൽ സോണി കോർപറേഷനും ആഷികസെ കോർപറേഷനുമായിരുന്നു ആദ്യമായി ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികളെ വിപണിയിലെത്തിച്ചത്. ഈ ബാറ്ററികൾ അക്ഷരാർത്ഥത്തിൽ ഇലക്ട്രോണിക് വ്യവസായത്തിന്റെ അലകും പിടിയും മാറ്റുകയായിരുന്നു.
ഭാരം കുറഞ്ഞതും റീച്ചാർജ് ചെയ്യാവുന്നതുമായ ഈടുറ്റ ബാറ്ററികളാണ് ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികൾ. ഗണ്യമായ അളവിൽ ഊർജം സംഭരിച്ചുവയ്ക്കാനും കുറഞ്ഞ സമയത്തിനുള്ളിൽ റീച്ചാർജ് ചെയ്യാനും കഴിവുള്ള ഇവയ്ക്ക് ആയുർദൈർഘ്യവും കൂടുതലാണ്.
ഒരു ബാറ്ററിയെ സംബന്ധിച്ച് പരമപ്രധാനമായ രണ്ട് ആശയങ്ങളാണ് ഊർജസാന്ദ്രതയും പവർ സാന്ദ്രതയും. ബാറ്ററിയുടെ പിണ്ഡത്തിന് ആനുപാതികമായി അതിന് സംഭരിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഊർജത്തിന്റെ അളവിനെ ഊർജസാന്ദ്രത എന്നും അതിന് ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന പവറിനെ പവർ സാന്ദ്രത എന്നും വിളിക്കുന്നു. വിവിധ ബാറ്ററി ഉത്പാദകർ തങ്ങളുടെ ഉത്പന്നത്തിന്റെ ഊർജ സാന്ദ്രത, പവർ സാന്ദ്രത എന്നിവയിൽ ഗുണപരമായ മാറ്റങ്ങൾ വരുത്താനും ചെലവു കുറഞ്ഞ സുരക്ഷിതമായ ഭാരം കുറഞ്ഞ ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികൾ വിപണിയിലെത്തിക്കാനും കിണഞ്ഞു പരിശ്രമിക്കുന്നുണ്ട്. 1997 ഓടെ മുൻനിര കമ്പനികളെല്ലാം തന്നെ പെട്രോളിയം കോക്കിനു പകരം ഗ്രാഫൈറ്റ് ഉപയോഗിച്ചു തുടങ്ങി. മറ്റൊരു കാർബൺ രൂപാന്തരമായ ഗ്രാഫീനുകളും ബന്ധപ്പെട്ട മറ്റ് നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളുമെല്ലാമുപയോഗിച്ച് ഊർജസാന്ദ്രതയും ക്ഷമതയും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്ന ഗവേഷണ പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടത്തിവരുന്നുണ്ട്. സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത സങ്കരങ്ങളുപയോഗിച്ച് ഗ്രാഫൈറ്റ് ആനോഡിന്റെ പ്രവർത്തന ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്താനും ശ്രമം നടക്കുന്നു. ലിഥിയം അയോൺ സെല്ലുകൾ പല രൂപത്തിലും ഭാവത്തിലും ഒട്ടുമിക്ക ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ ഉള്ളിലും ഉൗർജസ്രോതസായി ഇരിപ്പുറപ്പിച്ചിട്ടുണ്ട്. 2014 ൽ പാനസോണിക് ഏറ്റവും ചെറിയ പിൻരൂപത്തിലുള്ള ബാറ്ററി അവതരിപ്പിച്ചു. വെറും 600 മില്ലിഗ്രാം മാത്രമായിരുന്നു അതിന്റെ ഭാരം.
കാര്യങ്ങൾ ഇങ്ങനെയൊക്കെയാണെങ്കിലും ചില അസുഖകരമായ വസ്തുതകളും ഇതിനുപിന്നിലുണ്ട്. സെൽഫോൺ ബാറ്ററികൾ പൊട്ടിത്തെറിക്കുന്നതുമൂലം ഒരു പ്രമുഖ മൊബൈൽ ഫോണിനെ വിപണിയിൽ നിന്ന് പിൻവലിക്കേണ്ടിവന്നതും വിമാന കമ്പനികൾ അവയ്ക്ക് വിലക്കേർപ്പെടുത്തിയതും നമ്മളാരും മറന്നിട്ടില്ല. മുൻപ് സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ ലിഥിയം അയോണുകൾ ഒരു ഇലക്ട്രോഡിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്കും തിരിച്ചുമുള്ള ഒാട്ടപ്രദക്ഷിണം നടത്തുന്നത് ഒരു ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലൂടെയാണ്. ലിഥിയം ലവണങ്ങളടങ്ങിയ ഒാർഗാനിക് ലായകങ്ങളാണ് ദ്രാവകമാദ്ധ്യമമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്.
അമിതമായി ചാർജ് ചെയ്യപ്പെടുകയോ താപനില സുരക്ഷിതപരിധിയിൽ കൂടുകയോ മറ്റു നിർമ്മാണ വൈകല്യങ്ങൾ ഉണ്ടായിരിക്കുകയോ ചെയ്താൽ ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ വിഘടനംവഴി മർദ്ദം കൂടുകയും പൊട്ടിത്തെറിക്കാനിട വരികയും ചെയ്യുന്നു. കൂടാതെ ഇത്തരം ബാറ്ററികളുള്ള ഉപകരണങ്ങൾ ശക്തമായി താഴെ വീഴുകയോ അതിൽ അമിത മർദ്ദം പ്രയോഗിക്കുകയോ ചെയ്താൽ സെല്ലിനുള്ളിലെ നേരിയ ആവരണങ്ങൾ പൊളിഞ്ഞു പോകുകയും ആന്തരിക ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ട് കാരണം അഗ്നിബാധ ഉണ്ടാകുകയും ചെയ്യുന്നു. ഖര ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുപയോഗിച്ച് നിർമ്മിക്കാവുന്ന സെല്ലുകളെപ്പറ്റിയുള്ള ഗവേഷണ പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടന്നുവരുന്നുണ്ട്. ശ്രദ്ധയോടെ ഉപയോഗിച്ചാൽ ഏറ്റവും സുരക്ഷിതമായ ബാറ്ററികൾ തന്നെയാണിവ എന്നുള്ളതിൽ യാതൊരു സംശയവുമില്ല.
ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികളുടെ വാണിജ്യ സാദ്ധ്യത പരമാവധി പ്രയോജനപ്പെടുത്താനായി എണ്ണൂറുകോടി രൂപ മുതൽമുടക്കിൽ ആന്ധ്രാപ്രദേശിലെ തിരുപ്പതിയിൽ ഇന്ത്യയിലെ ആദ്യത്തെ ലിഥിയം അയോൺ സെൽ ഉത്പാദന കേന്ദ്രത്തിന്റെ പ്രാരംഭ പ്രവർത്തനങ്ങൾ ദ്രുതഗതിയിൽ നടന്നുവരുന്നു.
ആശയവിനിമയം, വിവരസാങ്കേതികവിദ്യ, ഗതാഗതം തുടങ്ങിയ വിവിധ മേഖലകളുടെ കുതിച്ചുചാട്ടത്തിന് വഴിയൊരുക്കിയത് ലിഥിയം അയോൺ സെല്ലുകളുടെ ആവിർഭാവത്തോടെയാണ്. നിലവിലുള്ള ഇൗ സെല്ലുകൾ ഇപ്പോഴും ശൈശവാവസ്ഥയിലാണെന്നു പറയുന്നതിൽ അതിശയോക്തിയില്ല. കാരണം, പദാർത്ഥ രസതന്ത്രത്തിന്റെ അനന്തസാധ്യതകൾ ഉപയോഗപ്പെടുത്തി, ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികളുടെ ഗുണപരമായ മെച്ചപ്പെടുത്തലുകൾക്ക് ഭൂമിക ഒരുക്കിത്തരികയാണ് യഥാർത്ഥത്തിൽ ഇൗവർഷത്തെ രസതന്ത്ര നോബൽ പുരസ്കാര ജേതാക്കൾ ചെയ്തത്.
(തിരുവനന്തപുരം,യൂണിവേഴ്സിറ്റി കോളേജിലെ രസതന്ത്ര വകുപ്പ്,അസിസ്റ്റന്റ് പ്രൊഫസറാണ് ലേഖകൻ. ഫോൺ:94472 06284)