Battery open-circuit voltage is not purely chemical

बैटरी आधुनिक दुनिया के मौन इंजन हैं, जो स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक सब कुछ चलाने के लिए दो आंतरिक इलेक्ट्रोडों के बीच आयनों नामक सूक्ष्म आवेशित कणों को इधर-उधर भेजकर शक्ति प्रदान करती हैं। जब एक बैटरी किसी उपकरण से जुड़ी नहीं होती और निष्क्रिय अवस्था में होती है, तो यह एक ऐसी विश्राम अवस्था में स्थिर हो जाती है जहाँ इसका वोल्टेज, या विद्युत दबाव, इसके भीतर की सामग्रियों की रासायनिक प्रकृति द्वारा निर्धारित होता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस विश्राम वोल्टेज (resting voltage) को सामग्री के एक निश्चित 'फिंगरप्रिंट' के रूप में माना है, जो केवल इस बात पर निर्भर करता है कि इलेक्ट्रोड में कितने आयन संग्रहीत हैं और इसे बनाने के लिए किन विशिष्ट तत्वों का उपयोग किया गया है। यदि दो बैटरियां एक ही रासायनिक नुस्खे का उपयोग करती हैं, तो यह धारणा रही है कि वे चार्ज और डिस्चार्ज होते समय बिल्कुल समान वोल्टेज वक्र (voltage curve) उत्पन्न करेंगी। यह विश्वास जिस तरह से इंजीनियर बैटरी का डिजाइन और मॉडल तैयार करते हैं, उसमें इतनी गहराई से समाया हुआ है कि इसे सामग्री का एक अपरिवर्तनीय नियम मान लिया जाता है।

हालाँकि, एक नया अध्ययन बताता है कि यह दृष्टिकोण अधूरा है। ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय, वेइरस्ट्रैस संस्थान (बर्लिन), और ब्रेशिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि बैटरी का विश्राम वोल्टेज न केवल एक रासायनिक गुण है, बल्कि एक यांत्रिक गुण भी है। उन्होंने पाया कि एक इलेक्ट्रोड के भीतर सूक्ष्म कणों की भौतिक व्यवस्था और उन्हें आपस में दबाने वाले बल वोल्टेज को कई मिलीवोल्ट तक बदल सकते हैं। इसका अर्थ यह है कि बिल्कुल समान रासायनिक सामग्रियों से बनी दो बैटरियां केवल इसलिए अलग-अलग वोल्टेज वक्र प्रदर्शित कर सकती हैं क्योंकि उनके भीतर के कण अलग तरह से पैक किए गए हैं या उन पर दबाव की मात्रा भिन्न है। यह अध्ययन इस विचार को चुनौती देता है कि केवल रसायन विज्ञान ही प्रदर्शन को निर्धारित करता है, और यह प्रकट करता है कि बैटरी का भौतिक दबाव और सूक्ष्म संरचना भी यह निर्धारित करने में समान रूप से महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं कि यह कितनी ऊर्जा रख सकती है और वितरित कर सकती है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, एक को इलेक्ट्रोड के भीतर देखना होगा, जो धातु का कोई ठोस ब्लॉक नहीं है, बल्कि लाखों छोटे, गोलाकार कणों का एक सघन स्पंज जैसा संयोजन है। जब एक बैटरी चार्ज होती है, तो आयन इन कणों में प्रवेश करते हैं, जिससे वे फूल जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक स्पंज पानी सोखने पर फूल जाता है। एक वास्तविक बैटरी में, ये कण इतने कसकर पैक होते हैं कि वे लगातार अपने पड़ोसियों को छूते रहते हैं। जब चार्जिंग के दौरान कण फूलते हैं, तो वे एक-दूसरे को धकेलते हैं, जिससे संकुचन बल (compressive forces) पैदा होते हैं। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को मॉडल करने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिसमें इलेक्ट्रोड को विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित गोलों के एक संरचित ग्रिड के रूप में माना गया, जो ठीक वैसे ही है जैसे फलों की टोकरी में संतरे रखे जाते हैं। उन्होंने पाया कि जब ये फूले हुए गोले एक-दूसरे पर दबाव डालते हैं, तो परिणामी तनाव (stress) एक आयन को डालने के लिए आवश्यक ऊर्जा को बदल देता है, जो बदले में वोल्टेज को बदल देता है।

अध्ययन ने खुलासा किया कि यह वोल्टेज परिवर्तन एक सरल, रैखिक बदलाव नहीं है। इसके बजाय, यह 'हर्ट्ज़ियन कॉन्टैक्ट स्केलिंग' (Hertzian contact scaling) नामक एक विशिष्ट गणितीय संबंध का पालन करता है, जो यह बताता है कि ठोस वस्तुएं एक-दूसरे पर दबाव डालने पर कैसे विकृत होती हैं। यह प्रभाव तेजी से बढ़ता है जैसे-जैसे बैटरी चार्ज होती है और कण अधिक फूलते हैं, जिससे वोल्टेज में बदलाव दर्ज-दर्ज मिलीवोल्ट तक पहुँच सकता है, विशेष रूप से जब बैटरी लगभग पूरी भर जाती है। महत्वपूर्ण रूप से, इस बदलाव का आकार इस बात पर निर्भर करता है कि कणों को कैसे व्यवस्थित किया गया है। शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग पैकिंग संरचनाओं की तुलना की: एक सरल घन (cubic) व्यवस्था जहाँ कण एक ग्रिड में स्थित होते हैं, एक बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक संरचना जहाँ कण थोड़े अधिक गुंथे हुए होते हैं, और एक फेस-सेंटर्ड क्यूबिक व्यवस्था जहाँ वे यथासंभव कसकर पैक होते हैं। उन्होंने पाया कि इन विभिन्न तरीकों से पैक की गई समान सामग्रियां अलग-अलग वोल्टेज वक्र उत्पन्न करती हैं, जो यह सिद्ध करता है कि इलेक्ट्रोड की सूक्ष्म ज्यामिति एक प्रमुख चर (variable) है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि बाहरी बल बैटरी को कैसे प्रभावित करते हैं। एक वास्तविक बैटरी पैक में, सेल को अक्सर एक विशिष्ट दबाव के तहत एक साथ बांधकर रखा जाता है ताकि अच्छा विद्युत संपर्क सुनिश्चित किया जा सके। सिमुलेशन ने दिखाया कि बाहरी दबाव को बदलने से कणों के स्पर्श और उनके विकृत होने के तरीके में बदलाव आता है, जिससे वोल्टेज और भी संशोधित होता है। यह एक ऐसी स्थिति पैदा करता है जहाँ एक एकल इलेक्ट्रोड का वोल्टेज स्वयं सामग्री का एक अंतर्निहित गुण नहीं है, बल्कि पूरे बैटरी के यांत्रिक अवस्था का परिणाम है। एक इलेक्ट्रोड से उत्पन्न तनाव बैटरी स्टैक के माध्यम से दूसरे इलेक्ट्रोड तक प्रसारित होता है, जिसका अर्थ है कि नकारात्मक इलेक्ट्रोड (negative electrode) का फूलना सकारात्मक इलेक्ट्रोड (positive electrode) के वोल्टेज को यांत्रिक रूप से प्रभावित कर सकता है। यह युग्मन (coupling) यह दर्शाता है कि पूरी बैटरी का वोल्टेज उसके रासायनिक भागों के योग मात्र का नहीं, बल्कि संपूर्ण वास्तुकला का एक 'कीमो-मैकेनिकल' (chemo-mechanical) गुण है।

इन निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए, टीम ने विभिन्न बैटरी परीक्षणों के मौजूदा डेटा का विश्लेषण किया। उन्होंने विभिन्न प्रयोगशालाओं से ग्रेफाइट और मेटल-ऑक्साइड जैसी सामग्रियों के लिए रिपोर्ट किए गए वोल्टेज वक्रों का अध्ययन किया। ज्ञात प्रयोगात्मक अंतरों को ध्यान में रखने के बाद भी, उन्होंने वक्रों में महत्वपूर्ण भिन्नता पाई, विशेष रूप से उन सीमाओं के पास जहाँ सामग्रियां अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुँचती हैं। हालांकि उम्र बढ़ने (aging) या सामग्री की शुद्धता में मामूली अंतर जैसे कारक कुछ विसंगतियों की व्याख्या कर सकते हैं, शोधकर्ता तर्क देते हैं कि इलेक्ट्रोड की यांत्रिक अवस्था और सूक्ष्म संरचना संभवतः इस फैलाव का एक बड़ा हिस्सा है। उनका कार्य सुझाव देता है कि जब वैज्ञानिक बैटरी वोल्टेज को मापते या तुलना करते हैं, तो उन्हें केवल रासायनिक संरचना ही नहीं, बल्कि भौतिक बाधाओं और कणों की व्यवस्था पर भी विचार करना चाहिए।

इस खोज के निहितार्थ बैटरी के मॉडलिंग और डिजाइन के तरीके तक विस्तृत हैं। वर्तमान कंप्यूटर मॉडल अक्सर यह मान लेते हैं कि वोल्टेज वक्र विशुद्ध रूप से रसायन विज्ञान पर आधारित एक निश्चित इनपुट है। यह नया शोध संकेत देता है कि ऐसे मॉडल पहेली के एक महत्वपूर्ण हिस्से को छोड़ रहे हैं। कणों के बीच यांत्रिक अंतःक्रियाओं को अनदेखा करके, ये मॉडल बैटरी के वास्तविक व्यवहार की भविष्यवाणी करने में विफल हो सकते हैं, विशेष रूप से विभिन्न चार्जिंग स्थितियों या भौतिक दबावों के तहत। यह अध्ययन संपर्क यांत्रिकी (contact mechanics) के सिद्धांतों का उपयोग करके इन वोल्टेज सुधारों का अनुमान लगाने का एक तरीका प्रदान करता है, जो बैटरी भौतिकी की अधिक पूर्ण तस्वीर पेश करता है। यह सुझाव देता है कि इलेक्ट्रोड का निर्माण कैसे किया जाता है, जिसमें कणों को मिलाने और दबाने का तरीका शामिल है, वह उपयोग किए गए रासायनिक सूत्र जितना ही महत्वपूर्ण है।

अंततः, यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि बैटरी का 'ओपन-सर्किट वोल्टेज' रासायनिक और यांत्रिक दोनों बलों की एक गतिशील प्रतिक्रिया है। विश्राम वोल्टेज केवल तत्वों द्वारा निर्धारित एक स्थिर संख्या नहीं है; यह एक जीवंत गुण है जो कणों के भौतिक दबाव और इलेक्ट्रोड की वास्तुकला के साथ बदलता है। यह अंतर्दृष्टि यह समझाने में मदद करती है कि क्यों एक ही प्रकार की बैटरियां वास्तविक दुनिया में अलग-अलग व्यवहार करती हैं और एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करती है जहाँ बैटरी डिजाइन को रसायन विज्ञान और यांत्रिकी के जटिल तालमेल को ध्यान में रखना होगा। ये निष्कर्ष रसायन विज्ञान के नियमों को उलटते नहीं हैं, बल्कि उन्हें विस्तारित करते हैं, यह दिखाते हुए कि बैटरी इलेक्ट्रोड की घनी और भीड़भाड़ वाली दुनिया में, कणों का भौतिक खिंचाव और दबाव उतना ही प्रभावशाली है जितना कि वे रासायनिक बंधन जो उन्हें एक साथ रखते हैं।