बैटरी इस्तेमाल न करने पर भी बूढ़ी होती है। वजह है कुछ नैनोमीटर मोटी एक परत

लैपटॉप की एक अतिरिक्त बैटरी ख़रीदिए, उसे डिब्बे में बंद दो साल रखा रहने दीजिए, और वह पहले से काफ़ी कमज़ोर निकलेगी। न वह कभी चार्ज हुई, न डिस्चार्ज, न किसी जेब में गरम हुई। वह बस पड़ी रही।

यही सबसे साफ़ सबूत है कि बैटरी कोई बाल्टी नहीं है जो भरने-ख़ाली होने से घिसती हो। वह एक रासायनिक तंत्र है जिसमें कुछ धीमा और अपरिवर्तनीय हर वक़्त चलता रहता है, और उसकी रफ़्तार ज़्यादातर तापमान और इस बात से तय होती है कि सेल कितनी भरी रखी गई है। यह प्रक्रिया एनोड पर बनी उस परत में केंद्रित है जो कुछ नैनोमीटर से कुछ दसियों नैनोमीटर मोटी होती है — और वह परत क्या है, यह जान लेने पर बैटरी का ज़्यादातर बर्ताव और वह हर सलाह जो सचमुच काम करती है, अपने आप निकल आती है।

चार्ज होते वक़्त असल में होता क्या है

लिथियम-आयन सेल के बारे में अक्सर कहा जाता है कि वह बिजली जमा करती है। ज़्यादा सही — और ज़्यादा काम की — बात यह है कि वह लिथियम को दो अलग जगहों पर रखती है।

एक तरफ़ कैथोड है, जो लगभग हमेशा कोई मेटल ऑक्साइड होता है: निकल, मैंगनीज़ और कोबाल्ट का परतदार ऑक्साइड (NMC), या पुरानी उपभोक्ता सेलों में लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड, या — जो लगातार बढ़ रहा है — लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट, LFP, जो ऑक्साइड नहीं फ़ॉस्फ़ेट है और इसी वजह से अलग बर्ताव करता है। दूसरी तरफ़ एनोड है, जो आज की भारी बहुसंख्य सेलों में ग्रेफ़ाइट है। दोनों के बीच एक विभाजक है, जो लिथियम लवण वाले तरल इलेक्ट्रोलाइट में भीगा रहता है।

चार्जिंग कैथोड के जालक से लिथियम आयन खींचती है, उन्हें इलेक्ट्रोलाइट के पार भेजती है, और ग्रेफ़ाइट की परतों के बीच बिठा देती है। इलेक्ट्रॉन लंबा रास्ता लेकर चार्जर से होकर जाते हैं। डिस्चार्जिंग इसे उलट देती है। परतों के बीच बैठने की यह क्रिया इंटरकैलेशन है — लिथियम एक मेज़बान संरचना के भीतर मेहमान है, और मेज़बान काफ़ी हद तक ज्यों का त्यों रहता है; ठीक इसीलिए यह क्रिया सैकड़ों बार दोहराई जा सकती है। न कुछ जलता है, न कोई नया थोक पदार्थ बनता है। पूरा डिज़ाइन यही है, और इसी सुघड़पन ने इस रसायन को बाक़ी सबसे आगे कर दिया।

कण का आकार चार्जिंग की रफ़्तार क्यों तय करता है

यहाँ पहली बार नैनो पैमाना निर्णायक बनता है, और यह विज्ञापन का दावा नहीं, भौतिकी है।

इलेक्ट्रोड के कण तक पहुँचा लिथियम आयन उसकी सतह पर रुकता नहीं — उसे ठोस के भीतर विसरित होना पड़ता है। ठोस में विसरण धीमा होता है, और लगने वाला समय तय की गई दूरी के वर्ग के अनुपात में चलता है। कण की त्रिज्या आधी कीजिए और आयन को केंद्र तक पहुँचने में लगभग चौथाई समय लगेगा।

इसीलिए ऊँची शक्ति वाले इलेक्ट्रोड छोटे कणों से बनते हैं, और इसीलिए लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट — जिसकी अपनी विद्युत और आयनिक चालकता सचमुच कमज़ोर है — तभी व्यावसायिक रूप से चल पाया जब उसे पतली कार्बन परत चढ़े नैनोकणों के रूप में बनाया गया। यहाँ नैनोसंरचना बाद में जोड़ा गया सुधार नहीं है; उसके बिना वह मटेरियल काम की रफ़्तार पर चलता ही नहीं।

पेच सटीक है और टाला नहीं जा सकता। उतने ही द्रव्यमान को छोटे कणों में बाँटने से सतह कई गुना हो जाती है, और उस सतह का हर वर्ग मीटर वह जगह भी है जहाँ इलेक्ट्रोलाइट अभिक्रिया कर सकता है। जो डिज़ाइन-चुनाव तेज़ चार्जिंग ख़रीदता है, वही तेज़ बुढ़ापा भी ख़रीदता है — और बाज़ार की हर सेल इन दोनों के बीच एक ख़ास समझौता है; इसीलिए ऊँची शक्ति वाली सेल और लंबी उम्र वाली सेल अलग उत्पाद हैं, चाहे लेबल पर रसायन एक ही लिखा हो।

वह परत जो नुक़सान करके बैटरी बचाती है

लिथियम-आयन सेल का इलेक्ट्रोलाइट उस वोल्टेज पर ऊष्मागतिकीय रूप से स्थिर नहीं है जिस पर चार्ज हुआ ग्रेफ़ाइट एनोड बैठता है। उसे विघटित होना चाहिए। पहली ही चार्जिंग पर वह होता है।

जो बनता है वह सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ है, जिसे सब SEI कहते हैं: एनोड की सतह पर जमी लिथियम लवणों और कार्बनिक विघटन-उत्पादों की एक पतली, जटिल परत। उसका काम बहुत ख़ास और काफ़ी कठिन है। उसे लिथियम आयन गुज़ारने हैं, ताकि चार्जिंग चलती रहे, और इलेक्ट्रॉन रोकने हैं, ताकि इलेक्ट्रोलाइट का अपचयन रुक जाए। इसलिए अच्छी SEI ख़ुद को सीमित करती है — वह तब तक बढ़ती है जब तक उसी इलेक्ट्रॉन-प्रवाह को न रोक दे जो उसे बना रहा था, फिर काफ़ी हद तक थम जाती है।

इससे तीन नतीजे निकलते हैं, और वे मिलकर बैटरी की पूरी उम्र का ज़्यादातर बर्ताव समझा देते हैं।

यह तुरंत लिथियम की क़ीमत लेती है। SEI में बँध गया लिथियम रासायनिक रूप से क़ैद है और दोबारा कभी आना-जाना नहीं करता। यही पहले चक्र की क्षमता-हानि है, आम तौर पर कुछ प्रतिशत, और निर्माता इसे पहले से मानकर चलते हैं — नई सेल के लिथियम भंडार का एक हिस्सा सिर्फ़ इसी परत की भेंट चढ़ने के लिए रखा होता है।

यह पूरी तरह कभी नहीं रुकती। ख़ुद को सीमित करना और ख़त्म हो जाना एक बात नहीं है। परत सेल की बाक़ी उम्र भर धीरे-धीरे मोटी होती रहती है, हर बार थोड़ा और लिथियम खाती है और थोड़ा और आंतरिक प्रतिरोध जोड़ती है। यही कैलेंडर बुढ़ापा है, और इसीलिए बंद डिब्बे वाली बैटरी कमज़ोर निकली: इस अभिक्रिया को आपके इस्तेमाल की ज़रूरत नहीं, बस इतना चाहिए कि सेल किसी तापमान पर और किसी चार्ज-स्तर पर मौजूद हो।

इसकी रफ़्तार उन चीज़ों से तय होती है जो आपके हाथ में हैं। रासायनिक अभिक्रियाओं की दर तापमान के साथ तेज़ी से चढ़ती है, इसलिए गरम सेल ठंडी सेल से कहीं तेज़ बूढ़ी होती है — आम इस्तेमाल में गर्मी ही, बड़े अंतर से, सबसे ज़्यादा नुक़सान करती है। और पूरा चार्ज हुआ एनोड अपने सबसे नीचे वाले विभव पर होता है, यानी इलेक्ट्रोलाइट के अपचयन के लिए सबसे तेज़ प्रेरणा। इसलिए सेल को 100% पर और गरम रखना सबसे बुरा मेल है, और आधी भरी व ठंडी रखना सबसे अच्छा।

बैटरी की जो भी सलाह सचमुच काम करती है, वह लगभग हमेशा एक ही बात दो बार कहती है: ठंडी रखिए, और भरी मत रखिए। बाक़ी सब ब्योरा है।

लिथियम प्लेटिंग, और ठंड में फ़ोन फ़ास्ट चार्ज से क्यों मना करता है

एक दूसरी, तेज़ नाकामी भी है जिसे अलग से समझना ज़रूरी है, क्योंकि कई दिखने वाले बर्तावों के पीछे वही है।

जब लिथियम आयन ग्रेफ़ाइट तक उससे तेज़ पहुँचने लगें जितनी तेज़ी से वे उसमें बैठ सकते हैं, तो उनके पास जाने की जगह नहीं बचती और वे दूसरा रास्ता ले लेते हैं: एनोड की सतह पर धात्विक लिथियम के रूप में जम जाना। यही लिथियम प्लेटिंग है, और यह दो अलग तरीक़ों से बुरी है। जमा हुआ लिथियम ज़्यादातर वापस नहीं आता — वह इलेक्ट्रोलाइट से अभिक्रिया करके और SEI बना देता है, यानी क्षमता स्थायी रूप से चली गई। और वह असमान रूप से जमता है, सुई जैसी रचनाओं में, जो सबसे बुरी हालत में इतनी बढ़ सकती हैं कि दूसरे इलेक्ट्रोड तक पहुँच जाएँ।

प्लेटिंग को हर वह चीज़ बढ़ाती है जो इंटरकैलेशन से आगे निकल जाए: बहुत ऊँची चार्जिंग धारा, पहले से लगभग भरी सेल को चार्ज करना, और सबसे बढ़कर कम तापमान, क्योंकि सेल के ठंडा होते ही ग्रेफ़ाइट में विसरण नाटकीय रूप से धीमा पड़ जाता है। जमाव बिंदु से नीचे लिथियम-आयन बैटरी चार्ज करना सचमुच नुक़सानदेह है।

इसीलिए ठीक से बना उपकरण ठंड में फ़ास्ट चार्ज से मना करता है, गर्मी में चार्जिंग धीमी कर देता है, और पूरा भरने के क़रीब पहुँचते ही साफ़ तौर पर सुस्त हो जाता है। ये ख़राबियाँ नहीं हैं, न ही बेवजह की सावधानी; यह बैटरी प्रबंधन तंत्र है जो स्थायी नतीजों वाली एक नाकामी से बच रहा है। 100% के पास चार्जिंग का धीमा होना भी यही कहानी है — आख़िरी हिस्सा घटती धारा पर इसीलिए चढ़ता है, क्योंकि वहीं ज़ोर लगाना लिथियम जमाता है।

साइकल की गिनती वह नहीं है जो ज़्यादातर लोग समझते हैं

"500 साइकल" वाली सेल 500 बार प्लग लगाने के लिए नहीं बनी। साइकल पूर्ण समतुल्य चक्रों में गिने जाते हैं: 50% डिस्चार्ज करके दो बार चार्ज करना एक साइकल है, दो नहीं।

और ज़्यादा अहम बात यह कि हर साइकल बराबर नुक़सान नहीं करता। बीच की परास में उथला चक्र — मान लीजिए 40% से 70% — इलेक्ट्रोड संरचनाओं पर 0% से 100% वाले पूरे झूले से कहीं कम ज़ोर डालता है, क्योंकि लिथियम आते-जाते इलेक्ट्रोड मटेरियल फूलते-सिकुड़ते हैं, और बार-बार के बड़े झूले कणों में दरार डालते हैं, विद्युत संपर्क तोड़ते हैं और ताज़ा सतह खोल देते हैं — जिस पर और SEI बनती है।

फ़ोन और लैपटॉप में अब आम हो चुके चार्ज-सीमित फ़ीचर का असली आधार यही है। 80% पर चार्ज रोक देना दिखावा नहीं है। यह उस सबसे ऊँचे विभव वाले इलाक़े से बचाता है जहाँ इलेक्ट्रोलाइट का ऑक्सीकरण और SEI की बढ़त सबसे तेज़ है, और हर चक्र की गहराई भी घटा देता है — दो अलग फ़ायदे, जिनकी क़ीमत आज थोड़ी कम उपलब्ध क्षमता है और बदले में दो साल बाद काफ़ी ज़्यादा।

कैथोड भी बूढ़ा होता है, ज़्यादा चुपचाप: बार-बार के आयतन-परिवर्तन से कण चटकते हैं, संक्रमण धातुएँ धीरे-धीरे इलेक्ट्रोलाइट में घुलकर एनोड की SEI बिगाड़ती हैं, और सतह ऐसे रूपों में ढल जाती है जो लिथियम कम पकड़ते हैं। ऊँचा वोल्टेज और ऊँचा तापमान इन सबको तेज़ करते हैं — यानी वही सलाह, दूसरे रास्ते से।

सिलिकॉन एनोड इतने कठिन क्यों हैं, और इतने नैनो क्यों

ग्रेफ़ाइट हर छह कार्बन परमाणुओं पर लगभग एक लिथियम रखता है। सिलिकॉन उससे कहीं ज़्यादा रखता है — वज़न के हिसाब से क़रीब दस गुना क्षमता — इसीलिए एक दशक से हर बैटरी रोडमैप पर सिलिकॉन है।

अड़चन यांत्रिक है। पूरी तरह लिथियम भरने पर सिलिकॉन का आयतन क़रीब तीन सौ प्रतिशत बढ़ जाता है। ठोस सिलिकॉन कण कुछ ही चक्रों में टूट बिखरता है। इससे बुरा यह कि हर नई दरार ताज़ा सिलिकॉन सतह खोल देती है, इलेक्ट्रोलाइट तुरंत उससे अभिक्रिया करके और SEI बनाता है, और उस चक्र का हर दौर और लिथियम खा जाता है — यानी सेल सीधे दरारों से नहीं मरती, बल्कि उस SEI से जिसे बार-बार बनना पड़ता है और जो लिथियम का भंडार चाट जाती है।

हर चलने वाला जवाब नैनोसंरचना का जवाब है: इतने छोटे सिलिकॉन नैनोकण कि तनाव बिना टूटे सह लें, भीतर की ओर फूलने की जगह वाला छिद्रिल सिलिकॉन, कार्बन मैट्रिक्स में जड़ा सिलिकॉन, और ऐसे चालक जाल — अक्सर कार्बन नैनोट्यूब — जो इलेक्ट्रोड के साँस लेते रहने पर भी संपर्क बनाए रखें। किसी नैनोमटेरियल का चलते हुए उत्पाद में सुधार न होकर उत्पाद के होने की ही शर्त बन जाना — इसका इससे साफ़ मौजूदा उदाहरण कोई नहीं।

यही वजह है कि आज की व्यावसायिक सेलें सिलिकॉन को ग्रेफ़ाइट की जगह लेने वाले के रूप में नहीं, ग्रेफ़ाइट में मिलाए गए थोड़े प्रतिशत के रूप में इस्तेमाल करती हैं। इंजीनियरिंग असली है, प्रगति असली है, और घोषणाएँ आम तौर पर बाज़ार में आए उत्पाद से काफ़ी आगे चलती हैं।

असल में क्या कीजिए, और क्या मिथक है

गर्मी सबसे बड़ी दुश्मन है। कार के डैशबोर्ड पर पड़ा फ़ोन, बिस्तर पर चार्ज होता लैपटॉप जिसके वेंट दबे हों, धूप में रखा पावर बैंक — ये एक दोपहर में उतना नुक़सान कर देते हैं जितना महीनों का सामान्य इस्तेमाल नहीं करता। चार्ज होते वक़्त उपकरण गरम है, तो दख़ल देने लायक़ पल वही है।

100% पर मत रखिए, और 0% पर भी मत। लंबे भंडारण के लिए लक्ष्य है क़रीब आधा चार्ज, ठंडी जगह पर। महीनों बिलकुल ख़ाली पड़ी सेल ख़ुद-ब-ख़ुद इतने नीचे वोल्टेज तक उतर सकती है कि उसे दोबारा चार्ज करना सचमुच असुरक्षित हो — इसीलिए चार्जर बहुत गहरे उतरे पैक को जगाने से मना कर देते हैं।

थोड़ा-थोड़ा चार्ज करना ठीक है, बल्कि अच्छा है। लिथियम-आयन में कोई मेमोरी इफ़ेक्ट नहीं होता — वह निकल-कैडमियम की बात थी और यहाँ लागू नहीं होती। जब सुविधा हो तब चार्ज कर लेना बिलकुल सही है, और उथले चक्र गहरे चक्रों से नरम होते हैं।

कभी-कभार पूरा डिस्चार्ज "बैटरी कैलिब्रेट" नहीं करता, वह फ़्यूल गेज कैलिब्रेट करता है — यानी बचा हुआ चार्ज आँकने वाला सॉफ़्टवेयर। प्रतिशत की रीडिंग बहक गई हो तो यह कभी-कभी काम का है, और सेल की सेहत के लिए इससे कुछ नहीं होता।

फूली हुई बैटरी ख़त्म है। गैस बनने का मतलब है इलेक्ट्रोलाइट बुरी तरह विघटित हो रहा है। उसे इस्तेमाल करना बंद कीजिए, न छेदिए न दबाइए, और घर के कूड़े के बजाय सही ई-कचरा माध्यम से निपटाइए।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

आधुनिक तकनीक के सबसे नतीजा-भरे कुछ नैनोमीटर होने का दावा SEI ठीक से कर सकती है। दुनिया की हर लिथियम-आयन सेल की उम्र, सुरक्षा, ठंड में बर्ताव और फ़ास्ट-चार्ज क्षमता वही तय करती है; वह डिज़ाइन से नहीं, अपने आप बनती है; और तीन दशकों की गहन पढ़ाई के बाद भी उसकी संरचना और उसका विकास पूरी तरह समझा नहीं जा सका है।

इसकी एक वजह माप की समस्या है, और वह सीधे नैनो पैमाने पर कैरेक्टराइज़ेशन इतना कठिन क्यों है से जुड़ती है। SEI हवा, नमी और इलेक्ट्रॉन किरण — तीनों के प्रति संवेदनशील है, और बंद सेल के भीतर दबी हुई है। उसे देखने के लिए सेल से बाहर निकालिए तो वह बदल जाती है; इलेक्ट्रॉन किरण से तस्वीर लीजिए तो वह क्षतिग्रस्त होती है। इस क्षेत्र की बहुत सारी प्रगति ऐसे तरीक़े गढ़ने से आई है जो परत को नष्ट किए बिना देख सकें — और वह उपकरण-विज्ञान उतना ही विज्ञान है जितनी रसायन।

खुले सवाल बड़े हैं और असामान्य रूप से साफ़ भी। संयोग से उगने के बजाय जान-बूझकर बनाई गई कृत्रिम SEI परतें। ऐसे इलेक्ट्रोलाइट योजक जो बेहतर परत बनाएँ — इस समय पूरे क्षेत्र के सबसे असरदार और सबसे प्रयोग-आधारित इलाक़ों में से एक। ठोस इलेक्ट्रोलाइट, जो इस सतह की समस्या हटाते नहीं, बदल देते हैं। ऊँची मात्रा में सिलिकॉन। और सोडियम-आयन रसायन, जहाँ संसाधनों वाला तर्क मज़बूत है और जहाँ भारत की अपनी मटेरियल-स्थिति लिथियम के मुक़ाबले कहीं बेहतर है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या चार्ज करने से पहले फ़ोन पूरा ख़ाली कर लेना चाहिए?

नहीं। यह सलाह निकल-कैडमियम बैटरियों से बची हुई है, जिनमें सचमुच मेमोरी इफ़ेक्ट होता था। लिथियम-आयन सेल अपनी परास के बीच वाले उथले चक्र पसंद करती है, और गहरे डिस्चार्ज मदद नहीं, हल्का नुक़सान करते हैं। जब सुविधा हो तब चार्ज कीजिए, और अगर आपके उपकरण में 80% की सीमा का विकल्प है तो उसे चालू रखना असली और नापने लायक़ फ़ायदा है।

क्या फ़ास्ट चार्जिंग बैटरी ख़राब करती है?

इसका योगदान है, मुख्यतः गर्मी से और ऊँची धारा पर लिथियम प्लेटिंग के जोखिम से — पर आधुनिक बैटरी प्रबंधन तंत्र तापमान और चार्ज-स्तर के हिसाब से धारा इसीलिए सीमित करता है कि यह क़ाबू में रहे। ठंडे उपकरण पर कभी-कभार फ़ास्ट चार्जिंग चिंता की बात नहीं। जिससे सचमुच बचना चाहिए वह है पहले से गरम उपकरण को बार-बार फ़ास्ट चार्ज करना।

मेरा दो साल पुराना फ़ोन 30% पर ही बंद क्यों हो जाता है?

आम तौर पर दो चीज़ें साथ हो रही होती हैं। सेल की क्षमता सचमुच घट चुकी है, और उसका आंतरिक प्रतिरोध बढ़ चुका है — इसलिए भारी भार पड़ते ही वोल्टेज इतना गिर जाता है कि उपकरण बंद हो जाता है, जबकि गेज अब भी चार्ज बचा हुआ दिखा रहा होता है। इसीलिए ठीक-ठाक प्रतिशत पर अचानक बंद हो जाना, ख़ासकर ठंड में, बूढ़ी सेल की क्लासिक निशानी है — सॉफ़्टवेयर की ख़राबी की नहीं।

लैपटॉप हमेशा प्लग में लगा रहने देना बुरा है?

बुरा प्लग में लगा होना नहीं, उसका मतलब है: सेल 100% के पास रखी रहती है और अक्सर गरम भी — यानी ठीक वही मेल जो SEI की बढ़त सबसे तेज़ करता है। ज़्यादातर आधुनिक लैपटॉप में इसका उपाय एक चार्ज-सीमा सेटिंग है, जो बिजली से चलने का पता लगते ही बैटरी को 60–80% के आसपास रोक देती है। उसे चालू कर देना वह सबसे काम की चीज़ है जो ज़्यादातर लैपटॉप मालिक अपनी बैटरी के लिए कर सकते हैं।

क्या LFP बैटरियाँ सचमुच ज़्यादा टिकती हैं?

आम तौर पर हाँ, और विज्ञापन की नहीं, संरचना की वजह से। लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट कम वोल्टेज पर चलता है, जो इलेक्ट्रोलाइट के लिए नरम है, और उसकी ओलिवाइन संरचना चक्रों में आयतन बहुत कम बदलती है, इसलिए कण कम चटकते हैं। बदले में ऊर्जा-घनत्व कम है, यानी उतनी ही क्षमता के लिए ज़्यादा वज़न और जगह, और ठंड में प्रदर्शन कमज़ोर। इसीलिए स्थिर भंडारण में और उन गाड़ियों में LFP छाया हुआ है जहाँ रेंज पर्याप्त है, जबकि जहाँ प्रति किलो ऊर्जा ही सब कुछ है वहाँ ऊँचे निकल वाले ऑक्साइड टिके हुए हैं।