लिथियम बैटरी की आग को हवा की ज़रूरत नहीं होती। इसी एक बात से समझ आता है कि उसे ढककर बुझाना क्यों नाकाम रहता है

ज़्यादातर आगों को तीन चीज़ें चाहिए: ईंधन, गर्मी और हवा से मिलने वाली ऑक्सीजन। इनमें से कोई एक हटा दीजिए और आग बुझ जाती है — इसीलिए कंबल, ढक्कन या कार्बन डाइऑक्साइड वाला अग्निशामक काम करता है।

थर्मल रनअवे में गई लिथियम-आयन सेल यह नियम तोड़ देती है। एक बार ठीक से शुरू हो जाए, तो वह सेल के भीतर ही अपनी ऑक्सीजन बना रही होती है, जो टूटते हुए कैथोड से निकलती है। हवा रोकने से वह नहीं रुकती। ढककर बुझाने से नहीं रुकती। आग को सीलबंद धातु के उस डिब्बे के भीतर से ईंधन मिल रहा है जहाँ तक आप पहुँच ही नहीं सकते।

यही एक बात इन नाकामियों के बर्ताव की लगभग हर चीज़ समझा देती है — 'लिथियम' शब्द के बावजूद पानी सही जवाब क्यों है, क्षतिग्रस्त इलेक्ट्रिक गाड़ी का पैक बुझाए जाने के दो दिन बाद फिर क्यों जल उठता है, लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट सचमुच सुरक्षित क्यों है और सिर्फ़ विज्ञापन में नहीं, और एयरलाइन को इससे मतलब क्यों है कि आपकी अतिरिक्त बैटरी कितनी चार्ज है।

रनअवे कोई घटना नहीं, एक चक्र है

थर्मल रनअवे कोई एक अभिक्रिया नहीं है। वह एक प्रतिपुष्टि चक्र है: गर्मी से सेल के भीतर की अभिक्रियाओं की दर बढ़ती है, उन अभिक्रियाओं से गर्मी निकलती है, और निकली गर्मी दर और बढ़ा देती है। किसी तापमान से नीचे यह चक्र हार जाता है; उससे ऊपर वह जीत जाता है और नतीजा तय हो जाता है, उसके बाद कुछ भी हो।

यह क्रम एक सीढ़ी है, और हर पायदान मायने रखता है।

क़रीब 80 से 120 °C पर सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ — एनोड पर वह रक्षक परत जिसे इस साइट ने बैटरी की उम्र का चुपचाप मालिक कहा था — टूटने लगती है। इससे लिथियम भरा ग्रेफ़ाइट सीधे इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में आ जाता है, और दोनों ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया करते हैं। अब सेल ख़ुद को गरम कर रही है।

क़रीब 130 से 160 °C पर आम पॉलिओलेफ़िन विभाजक पिघल जाता है। विभाजक वही पतली छिद्रिल झिल्ली है जो इलेक्ट्रोडों को छूने से रोकती है और आयनों को गुज़रने देती है — और वह पिघल या सिकुड़ जाए तो इलेक्ट्रोड छू जाते हैं। यह भीतरी शॉर्ट सर्किट है, जो सेल का पूरा जमा आवेश उसी के भीतर, सेकंडों में, गर्मी के रूप में उँडेल देता है।

क़रीब 180 से 250 °C से ऊपर, रसायन और चार्ज के स्तर के हिसाब से, कैथोड विघटित होने लगता है — और यही वह पायदान है जो पूरी घटना का चरित्र बदल देता है।

कैथोड ही ऑक्सीकारक है

चार्ज हो चुका परतदार-ऑक्साइड कैथोड — लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड, या ज़्यादातर ऊँची ऊर्जा वाली सेलों में लगने वाले निकल-मैंगनीज़-कोबाल्ट ऑक्साइड — वह मेटल ऑक्साइड है जिसका बहुत सारा लिथियम निकाल लिया गया है। इससे वह ऐसी हालत में आ जाता है जहाँ वह ऊष्मागतिकीय रूप से ऑक्सीजन छोड़ने को बेताब है — और काफ़ी गरम होते ही वह ठीक वही करता है: सीलबंद सेल के भीतर, जहाँ पहले से ज्वलनशील कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट भरा है, ऑक्सीजन गैस छोड़ देता है।

उस बिंदु पर सेल के भीतर ईंधन और ऑक्सीकारक, गरम हालत में, एक-दूसरे से सटे हुए हैं — और बाहर खड़े किसी के पास उन्हें अलग करने का कोई रास्ता नहीं। आग अब आत्मनिर्भर है।

यहीं लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट अलग पड़ता है, और वजह प्रचार नहीं, ठोस है। LFP में ऑक्सीजन परतदार ऑक्साइड जालक में बैठा होने के बजाय फ़ॉस्फ़ेट के ढाँचे में मज़बूत फ़ॉस्फ़ोरस–ऑक्सीजन बंधों से बँधा होता है। वह उस तरह ऑक्सीजन नहीं छोड़ता, उसका विघटन कहीं ऊँचे तापमान पर शुरू होता है, और जब वह नाकाम होता भी है तो कहीं कम ऊर्जा के साथ और आम तौर पर वैसी ऑक्सीजन-पोषित हिंसक आग के बिना।

बैटरी के बूढ़े होने वाले हमारे लेख में जो बात गुज़रते हुए कही गई थी कि LFP ज़्यादा मज़बूत है — यही उसका तंत्र वाला रूप है। वह प्रति किलो ऊर्जा छोड़ देता है, और उसके बदले जो ख़रीदता है वह ऐसा कैथोड है जो ऑक्सीकारक बनने को कहीं कम तैयार है।

लिथियम-आयन सेल की सुरक्षा कोई एक गुण नहीं है। वह बड़े हिस्से में एक आँकड़े का बयान है — वह तापमान जिस पर कैथोड ऑक्सीजन छोड़ने लगता है — और इस बात का कि उस पल के इंतज़ार में कितनी ऊर्जा जमा पड़ी है।

इसे शुरू क्या करता है

चार रास्ते, और इन्हें अलग-अलग जानना ज़रूरी है क्योंकि बचाव अलग-अलग हैं।

यांत्रिक। सेल को कुचलना या छेदना सीधे इलेक्ट्रोडों को शॉर्ट कर देता है। यही गाड़ी की टक्कर वाला और गिरे हुए फ़ोन वाला मामला है, और इसीलिए साफ़ दिखने वाली पिचकी हुई सेल इस्तेमाल लायक़ नहीं है।

विद्युत। ज़्यादा चार्ज करना लिथियम को एनोड के भीतर जाने के बजाय उस पर धातु के रूप में जमा देता है — वही प्लेटिंग जो बुढ़ापे वाले लेख में बताई गई थी — और धात्विक लिथियम क्रियाशील भी है और ऐसी रचनाएँ उगाने को तैयार भी जो बाद में विभाजक छेद दें। ज़्यादा चार्ज करना सीधे गर्मी भी पैदा करता है। ज़्यादा डिस्चार्ज करना चुपचाप और बुरा है: वह धारा-संग्राहक से ताँबा घोल सकता है, जो बाद में चालक पुलों के रूप में दोबारा जमकर हफ़्तों बाद भीतरी शॉर्ट कर देता है।

ऊष्मीय। बाहर की गर्मी अकेले काफ़ी है। भारतीय गर्मी में खड़ी कार में छूटी सेल, या किसी गरम चीज़ के पास रखी सेल, बिना किसी विद्युत ज़्यादती के उस सीढ़ी पर चढ़ाई जा सकती है।

भीतरी दोष। सेल बनाते वक़्त भीतर छूट गया कोई धातु कण, समय और चार्ज-चक्रों के साथ, विभाजक के आर-पार रास्ता बनाकर शॉर्ट कर सकता है। कई बड़ी उत्पाद-वापसियों के पीछे यही विफलता रही है — और इसीलिए सेल निर्माण में सफ़ाई गुणवत्ता की बारीकी नहीं, सुरक्षा की शर्त है; और इसीलिए सस्ती, बिना ब्रांड की सेलें नियंत्रित कारख़ाने में बनी सेलों से सचमुच अलग जोखिम हैं।

बुढ़ापे वाले लेख से एक जाल दोहराने लायक़ है: ठंडी सेल चार्ज करना लिथियम को भीतर बिठाने के बजाय ऊपर जमा देता है। नतीजा तुरंत नहीं मिलता — मिलती है ऐसी सेल जिसने चुपचाप वे रचनाएँ पा ली हैं जो बाद में भीतरी शॉर्ट करेंगी।

एक सेल पूरे पैक की आग कैसे बन जाती है

रनअवे में गई अकेली 18650 सेल हिंसक पर झेली जा सकने वाली घटना है। सैकड़ों सेलों का पैक दूसरी बात है, और फ़र्क़ है फैलाव।

रनअवे में गई सेल अपनी ऊर्जा गर्मी के रूप में आसपास की चीज़ों में उँडेल देती है — यानी अपने पड़ोसियों में। वे भी शुरुआती तापमान तक पहुँच गए तो वे भी चल पड़ते हैं, और मोर्चा पूरे पैक में बढ़ता जाता है। अच्छे बैटरी पैक की ज़्यादातर इंजीनियरिंग सेलों के बारे में ही नहीं होती — वह यह पक्का करने के बारे में होती है कि एक सेल की ख़राबी एक सेल की ख़राबी बनी रहे: सेलों के बीच दूरी और ऊष्मीय दीवारें, गर्मी सोखने वाले मटेरियल, जान-बूझकर बनाए वेंट जो गरम गैस को अगली सेल में नहीं, पैक के बाहर भेजें, और सेल-स्तर पर फ़्यूज़।

यही ईमानदार वजह है कि वही सेलें एक उत्पाद में सुरक्षित और दूसरे में ख़तरनाक हो सकती हैं। चलती हुई बैटरी प्रबंधन प्रणाली, ऊष्मीय हाशिए और फैलाव-रोधी दीवारों वाला ठीक से बना पैक एक ख़राब सेल को थाम लेता है। क़ीमत पकड़ने के लिए जोड़ा गया पैक — कोई ऊष्मीय प्रबंधन नहीं, नाममात्र का BMS, सेलें कसकर ठुँसी — एक दोष को आग बना देता है। भारत में इलेक्ट्रिक दोपहिया और पावर बैंक की घटनाओं का ढर्रा ठीक यही रहा है: एकीकरण और गुणवत्ता नियंत्रण, न कि लिथियम-आयन रसायन में कोई बुनियादी ख़राबी।

इससे लड़ना, और नाम में छिपी ग़लतफ़हमी

"लिथियम" शब्द यहाँ बहुत नुक़सान करता है। जलता लिथियम धातु क्रियाशील-धातु की शास्त्रीय आग है, जहाँ पानी सचमुच ग़लत जवाब है। लिथियम-आयन सेल में थोक लिथियम धातु होती ही नहीं — लिथियम इलेक्ट्रोड मटेरियल के भीतर आयन के रूप में मौजूद है — और लिथियम-आयन पैक के लिए मार्गदर्शन उलटा है: पानी इस्तेमाल कीजिए, और भरपूर।

तर्क सीधे इसी से निकलता है कि रनअवे एक ऊष्मीय चक्र है। आप ऑक्सीकारक नहीं हटा सकते, क्योंकि वह कैथोड से आ रहा है। आप ईंधन नहीं हटा सकते, क्योंकि वह भीतर सीलबंद है। बचा हुआ एकमात्र चर है तापमान, और मात्रा में उपलब्ध सबसे अच्छा ऊष्मा-अवशोषक पानी है। इलेक्ट्रिक गाड़ी की आग पर काम करती दमकल लपटें बुझाने से ज़्यादा यह कर रही होती है कि पैक को उस तापमान से नीचे ठंडा कर दे जहाँ बची सेलें आगे न बढ़ें — और इसमें आम गाड़ी की आग से कहीं ज़्यादा पानी और कहीं ज़्यादा समय लगता है।

इससे दो नतीजे निकलते हैं। ढककर बुझाने वाले साधन और कार्बन डाइऑक्साइड दिखती लपट दबा सकते हैं और रनअवे नहीं रोकेंगे, क्योंकि वे भीतरी गर्मी या भीतरी ऑक्सीजन के बारे में कुछ नहीं करते। और घंटों या दिनों बाद फिर जल उठना सामान्य है, क्योंकि जो सेलें गरम हुईं पर अभी गई नहीं थीं, वे दिखती आग बुझने के बहुत बाद अपनी दहलीज़ पार कर सकती हैं। इसीलिए क्षतिग्रस्त EV पैक दूर अलग रखे जाते हैं, कभी पानी में डुबोकर, और दिनों तक निगरानी में रहते हैं — बुझते ही सुरक्षित घोषित नहीं किए जाते।

एक आम आदमी असल में क्या कर सकता है

फूली हुई सेल गैस छोड़ रही है और ख़त्म है। फूलने का मतलब है भीतरी विघटन से गैस बन गई। उसे इस्तेमाल करना बंद कीजिए, चार्ज मत कीजिए, न छेदिए न दबाइए, और ई-कचरा माध्यम से निपटाइए। फूला हुआ पावर बैंक या फ़ोन बैटरी ज़्यादातर लोगों को मिलने वाली सबसे साफ़ चेतावनी है।

नरम बिस्तर या सोफ़े पर बिना निगरानी चार्ज मत कीजिए। बिस्तर और सोफ़ा — दोनों गर्मी रोकते हैं और जलते भी हैं। कड़ी सतह पर, चारों ओर हवा के साथ चार्ज करने में कुछ ख़र्च नहीं होता और सबसे बुरी हालत हट जाती है।

वही चार्जर और वही पैक इस्तेमाल कीजिए जिसके लिए उपकरण बना है। बिना प्रमाणन वाले चार्जर और बदले हुए पैक वहीं हैं जहाँ ओवरचार्ज से बचाव और सेल की गुणवत्ता सबसे ज़्यादा गायब मिलती है, और घटनाओं की रिपोर्टों में उनका हिस्सा बड़ा है।

तापमान की चेतावनियों का सम्मान कीजिए। जो उपकरण गरम या ठंडा होने पर फ़ास्ट चार्ज से मना कर देता है वह ख़ुद को ठीक ऊपर बताए तंत्रों से बचा रहा है, और वह मनाही उस सुविधा से ज़्यादा क़ीमती है जो वह छीनती है।

मटेरियल का काम असल में कहाँ हो रहा है

यहाँ नैनोमटेरियल का योगदान असली और ठोस है, और वह ज़्यादातर उस सीढ़ी के हर पायदान का तापमान ऊपर उठाने का है।

सिरैमिक कोटेड विभाजक इसका सबसे साफ़ उदाहरण हैं। पॉलिओलेफ़िन विभाजक पर ऐलुमिना या उस जैसे ऑक्साइड कणों की पतली परत चढ़ा देने से ऊष्मीय सिकुड़न नाटकीय रूप से घट जाती है और वह तापमान चढ़ जाता है जिस पर विभाजक नाकाम होता है — यानी पूरे क्रम के सबसे ख़तरनाक पायदान पर हाशिया मिल जाता है। यह सुरक्षा-निर्णायक भूमिका में सीधा मेटल-ऑक्साइड उपयोग है, और अब कई सेल डिज़ाइनों में मानक है।

कैथोड कणों की कोटिंग — परमाणु-परत विधियों से चढ़ाए गए पतले, समरूप ऑक्साइड खोल — ऊष्मीय स्थिरता सुधारते हैं और सतह पर इलेक्ट्रोलाइट से क्रियाशीलता घटाते हैं, जहाँ से विघटन शुरू होता है।

इलेक्ट्रोलाइट योजक और ज्वाला-रोधी फ़ॉर्मूलेशन उन अभिक्रियाओं की शुरुआत ऊपर सरका देते हैं जो चक्र चालू करती हैं, और ठोस इलेक्ट्रोलाइट ज्वलनशील तरल ही हटा देते हैं — जो उपलब्ध सबसे मज़बूत संरचनात्मक जवाब है और अपने साथ सतहों, डेंड्राइट तथा बनने-लायक़ होने की अनसुलझी समस्याएँ लाता है।

इन सबके लिए ईमानदार बात: इनमें से कोई भी ऊँची ऊर्जा वाली सेल को निष्क्रिय नहीं बनाता। ये शुरुआती तापमान खिसकाते हैं और निकलने वाली ऊर्जा घटाते हैं। "सुरक्षित" बैटरी के किसी दावे को हमेशा इस सवाल के रूप में पढ़ा जाए कि कितनी ज़्यादा सुरक्षित, किस तरह नापी गई, और ऊर्जा-घनत्व की कितनी क़ीमत पर — क्योंकि ऊर्जा-घनत्व और सुरक्षा आपस में बँधे हैं, और छोटी जगह में बहुत सारी जमा ऊर्जा कभी अपने आप हानिरहित नहीं होगी।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

ऊर्जा इंजीनियरिंग में यह उस बँधे हुए समझौते का सबसे साफ़ उदाहरण है जिसे डिज़ाइन से हटाया नहीं जा सकता। कम जगह में ज़्यादा ऊर्जा भरने का ज़रूरी मतलब है कि कुछ बिगड़ने पर छूटने के लिए ज़्यादा ऊर्जा मौजूद है — इसलिए यहाँ सुरक्षा-इंजीनियरिंग संभावना मिटाने की नहीं, छूटने को क़ाबू करने की है। जो छात्र यह पचा लेता है वह "सुरक्षित ऊँची-ऊर्जा रसायन" ढूँढ़ना छोड़कर शुरुआती तापमान, फैलाव-रोधी दीवारों और जल्दी पकड़ पर काम करने लगता है।

यह दुरुपयोग परीक्षण की सीमाएँ भी दिखाता है। कील चुभाना, कुचलना, ओवरचार्ज और ऊष्मीय जाँचें मानक और ज़रूरी हैं, और वे किसी तय चोट पर सेल की प्रतिक्रिया जाँचती हैं — यह नहीं कि तीन साल बाद निर्माण के किसी कण से भीतरी शॉर्ट बन जाने की संभावना कितनी है। असल दुनिया की सबसे नतीजा-भरी विफलताएँ अक्सर वही रही हैं जिन्हें दुरुपयोग परीक्षण दोहरा ही नहीं पाता — और यह प्रमाणन के बारे में असहज तथा अहम बात है।

खुले सवाल तात्कालिक हैं। रनअवे से पहले, पनप रहे भीतरी शॉर्ट की जल्दी पहचान पैक-सुरक्षा को किसी भी मटेरियल-बदलाव से ज़्यादा बदल देगी। ऐसी फैलाव-रोधी पैक वास्तुकला जो वज़न और जगह की अस्वीकार्य क़ीमत न ले, अब भी सक्रिय डिज़ाइन समस्या है। काम की चालकता वाले ग़ैर-ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट लंबे समय से लक्ष्य हैं। और ख़ास भारत के लिए, इस वक़्त बैटरी सुरक्षा की बाध्यकारी अड़चन अग्रिम पंक्ति का रसायन नहीं — सेल की गुणवत्ता, पैक का एकीकरण और मानकों का पालन है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या लिथियम-आयन बैटरी की आग पर पानी डाल सकते हैं?

हाँ, और भरपूर — लिथियम-आयन पैक के लिए मानक मार्गदर्शन यही है। भ्रम लिथियम धातु की आग से आता है, जहाँ पानी सचमुच ग़लत है; पर लिथियम-आयन सेल में थोक लिथियम धातु होती ही नहीं। चूँकि सीलबंद सेल के भीतर से आप न ईंधन हटा सकते हैं न ऑक्सीजन, बचा हुआ एकमात्र तंत्र ठंडा करना है — और मात्रा में उपलब्ध सबसे असरदार शीतक पानी है।

मेरा पावर बैंक या फ़ोन बैटरी फूल गई है। क्या वह ख़तरनाक है?

उसे ख़त्म मानिए। फूलने का मतलब है भीतरी विघटन से गैस बन चुकी है, यानी सेल पहले ही उस तरह बिगड़ चुकी है जिससे रनअवे का ख़तरा बढ़ता है। चार्ज करना और इस्तेमाल करना बंद कीजिए, छेदने या दबाने से बचिए, गर्मी और जलने वाली चीज़ों से दूर रखिए, और घर के कूड़े के बजाय ई-कचरा संग्रह केंद्र पर दीजिए।

इलेक्ट्रिक गाड़ियों की आग घंटों बाद फिर क्यों भड़क जाती है?

क्योंकि पैक को बाहर से ठंडा करने का मतलब यह नहीं कि भीतर की हर सेल ठंडी हो गई। जो सेलें गरम हुईं पर अपनी रनअवे-दहलीज़ पार नहीं कर पाई थीं, वे दिखती आग बुझने के बहुत बाद पार कर सकती हैं, और फैलाव वहीं से फिर शुरू हो सकता है। इसीलिए क्षतिग्रस्त पैक लंबे समय तक अलग और निगरानी में रखे जाते हैं, लपट रुकते ही सुरक्षित नहीं मान लिए जाते।

LFP सचमुच सुरक्षित है या यह विपणन है?

सचमुच सुरक्षित, और वजह संरचनात्मक है। लिथियम आयरन फ़ॉस्फ़ेट में ऑक्सीजन फ़ॉस्फ़ेट ढाँचे में मज़बूत फ़ॉस्फ़ोरस–ऑक्सीजन बंधों से बँधा है, इसलिए गरम होने पर कैथोड आसानी से ऑक्सीजन नहीं छोड़ता, उसका विघटन ऊँचे तापमान पर शुरू होता है, और विफलताएँ कहीं कम ऊर्जा वाली होती हैं। समझौता है प्रति किलो कम ऊर्जा — इसीलिए स्थिर भंडारण और लागत-संवेदी गाड़ियों में LFP छाया है, जबकि जहाँ रेंज सबसे ज़्यादा मायने रखती है वहाँ ऊँचे निकल वाले ऑक्साइड टिके हुए हैं।

बैटरियाँ क़रीब 30% चार्ज पर ही क्यों भेजी जाती हैं?

क्योंकि सेल की जमा ऊर्जा और उसका रनअवे की ओर झुकाव — दोनों चार्ज-स्तर पर निर्भर हैं। आंशिक रूप से चार्ज सेल में छूटने के लिए कम ऊर्जा है और कैथोड विघटन का शुरुआती तापमान ऊँचा है, इसलिए घटना की संभावना और गंभीरता, दोनों घट जाती हैं। इसीलिए हवाई परिवहन के नियम माल के रूप में भेजी जाने वाली लिथियम-आयन सेलों का चार्ज-स्तर सीमित करते हैं, और इसीलिए अलग रखी अतिरिक्त बैटरियाँ केबिन में रखनी होती हैं — जहाँ गड़बड़ दिख जाए और संभाली जा सके — कार्गो में नहीं।