ලිතියම්-අයන බැටරියේ ව්‍යුහය සහ එහි ක්‍රියාකාරිත්වය – ඊයේ thathu.com හී පළ වූ ලිපියට අතිරේකයකි

ලිතියම්-අයන බැටරියේ ව්‍යුහය සහ එය ක්‍රියා කරන ආකාරය

ඔබ ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංග කීයක් භාවිතා කරනවාද? මේ අව්ධියේ බුහුටි දුරකථන හෙවත් ස්මාර්ට් ෆෝන්, ටැබ්ලට් පරිගණක, ලැප්ටොප්, වයර්ලස් ඉයර්ෆෝන් වැනි උපකරණ කිහිපයක් එක් අයෙකු රැගෙන යාම අරුමයක් නොවේ.  එම උපකරණ සියල්ල බල ගන්වන්නේ Lithium-ion බැටරි බව ඔබ දන්නවාද? අද බැටරි කර්මාන්තයේ ආධිපත්‍යය දරන්නේ ලිතියම්-අයන බැටරිය. ඒවා ව්‍යුහගත වී ඇති ආකාරය සහ ඒවා ක්‍රියා කරන ආකාරය කෙටියෙන් හා සරලව සලකා බලමු.

ලිතියම්-අයන බැටරිවල ඇති ලිතියම් අයන කැතෝඩ සහ ඇනෝඩය අතර චලනය වෙමින් රසායනික ප්‍රතික්‍රියාවක් ඇති කර විදුලිය ජනනය කරයි.

ලිතියම් අයන කැතෝඩයේ සිට ඇනෝඩයට ගමන් කරන විට බැටරියක් ආරෝපණය වන අතර ලිතියම් අයන නැවත කැතෝඩය වෙත ගමන් කරන විට එය ශක්තිය මුදා හරින හෙයින් විසර්ජනය වේ. මෙම ක්‍රියාවලිය සිදු වීමට නම්, බැටරියට ලිතියම් අයන ගමන් කළ හැකි විද්‍යුත් විච්ඡේදකයක් අවශ්‍ය වන අතර කැතෝඩ සහ ඇනෝඩය වෙන්ව තබා ගැනීමට වෙන්කරණයක්(separator) අවශ්‍ය වේ. පොදුවේ ගත් විට, කැතෝඩය, ඇනෝඩය, වෙන්කරණය සහ විද්‍යුත් විච්ඡේදකය ලිතියම් අයන බැටරියක ප්‍රධාන කොටස් හතරක් සෑදේ.

කැතෝඩය

ලිතියම් අයන බැටරියක, ලිතියම් අයන කැතෝඩයට ඇතුළු වන අතර එය ලිතියම් අයන සඳහා නිවහනක් ලෙස සැලකිය හැකිය. ලිතියම්,  කැතෝඩ සඳහා පරිපූර්ණ ද්‍රව්‍යයක් වන අතර එය ඉලෙක්ට්‍රෝන අහෝසිවී ධනාත්මක අයනයක් බවට පත් වීමේ නැඹුරුවක් දක්වයි. කෙසේ වෙතත්, මූල ලිතියම් (elemental lithium) අස්ථායී බැවින්, ඒ වෙනුවට ලිතියම් සහ ඔක්සිජන් සංයෝගයක් වන ලිතියම් ඔක්සයිඩ් භාවිතා වේ.

බැටරියේ ක්‍රියාකාරීත්වයේ තීරණාත්මක සංරචක වන බැටරියක ධාරිතාව සහ වෝල්ටීයතාවය කැතෝඩය තීරණය කරයි. ලිතියම් අනුපාතය වැඩි වන විට බැටරි ධාරිතාව වැඩි දියුණු වේ. වෝල්ටීයතාව තීරණය වන්නේ ඉලෙක්ට්රෝඩ අතර විභව වෙනස මගිනි. එබැවින්, කැතෝඩයේ සහ ඇනෝඩයේ ව්‍යුහය හේතුවෙන් විභව අගය වෝල්ටීයතාවයට බලපායි.  ඉහළ කාර්ය සාධනයක් සහිත කැතෝඩ ද්‍රව්‍ය සඳහා මෑතකදී ඉල්ලුම වැඩි වන විට, NCA (නිකල්/කොබෝල්ට්/ඇලුමිනියම්) සහ NCMA (නිකල්/කොබෝල්ට්/මැන්ගනීස්/ඇලුමිනියම්) වැනි විවිධ කැතෝඩ ද්‍රව්‍ය සංවර්ධනය වෙමින් පවතී.

ඇනෝඩ

ඇනෝඩ ද්‍රව්‍ය කැතෝඩයෙන් ලිතියම් අයන ගබඩා කර මුදාහරින අතර එමඟින් බාහිර පරිපථයක් හරහා ධාරාව ගලා යාමට ඉඩ සලසයි. බැටරිය ආරෝපණය කළ විට, ලිතියම් අයන ඇත්තේ ඇනෝඩයේය. ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය සන්නායක කම්බියකින් සම්බන්ධ කළ විට ලිතියම් අයන ඇනෝඩයේ සිට කැතෝඩය වෙත ඉලෙක්ට්‍රෝලය හරහා ගමන් කරන අතර ලිතියම් අයනවලින් වෙන් වූ ඉලෙක්ට්‍රෝනය වයරය දිගේ ගමන් කරමින් විදුලිය ජනනය කරයි. ලිතියම් අයන නිවහනින් පිටවී වැඩ කරන අතරතුර විදුලිය නිපදවීම ලෙස ඔබට මේ ක්‍රියාවලිය ගැන ඔබට සිතිය හැක.

ග්රැෆයිට්ව්ල(මිනිරන්වල) බොහෝ අයන ගබඩා කළ හැකි අතර එය ප්‍රධාන වශයෙන් ඇනෝඩ ද්රව්ය සඳහා භාවිතා වේ. කෙසේ වෙතත්, ලිතියම් අයන ගබඩා කර මුදා හැරීමේ ක්‍රියාවලිය නැවත නැවත සිදු වන විට, මිනිරන් වල ව්‍යුහය වෙනස් වන අතර, ගබඩා කළ හැකි අයන ප්‍රමාණය අඩු වී බැටරි ආයු කාලය අඩු වේ. විශාල ධාරිතාවක් ඇති සහ ආරෝපණය වේගවත් කළ හැකි සිලිකන් වැනි ඊළඟ පරම්පරාවේ ඇනෝඩ ද්‍රව්‍ය දැනට සංවර්ධනය වෙමින් පවතින්නේ එබැවිනි.

විද්‍යුත් විච්ඡේදකය(Electrolyte)

විද්‍යුත් විච්ඡේදකය යනු බැටරිය තුළ ඇති කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය අතර ලිතියම් අයන ගමන් කිරීමට උපකාර වන මාධ්‍යයකි. එය ලිතියම් අයන රාජකාරිය සඳා යාමට යොදාගන්නා ප්‍රවාහන ආකාරයක් ලෙස සැලකිය හැකිය.

ලිතියම් විද්‍යුත් විච්ඡේදකය(Electrolyte) යනු බැටරිය තුළ ඇති කැතෝඩය සහ ඇනෝඩය අතර ලිතියම් අයන ගමන් කිරීමට උපකාර වන මාධ්‍යයකි. එය ලිතියම් අයන තම රාජකාරිය සඳහා යාමට යොදාගන්නා ප්‍රවාහන ආකාරයක් ලෙස සැලකිය හැකිය.

ලිතියම් අයනවල සුමට චලනය සඳහා විද්‍යුත් විච්ඡේදකයට ඉහළ අයනික සන්නායකතාවක් තිබිය යුතුවාම් මෙන්ම ආරක්ෂාව සඳහා ඉහළ විද්‍යුත් රසායනික ස්ථායීතාවයක් සහ ආරක්ෂාව උදෙසා ඉහළ ජ්වලනාංකයක්(flash point)  තිබිය යුතුය. එසේම  ඉලෙක්ට්රෝන, විද්‍යුත් විච්ඡේදකය තුළට ඇතුල් වීම වැළැක්වීම සහ බාහිර සන්නායක වයරය දිගේ පමණක් චලනය කිරීම අවශ්ය වේ.

වර්තමානයේ මෙම කාර්යය සඳහා ද්‍රව විද්‍යුත් විච්ඡේදක බහුලව භාවිතා වේ. කෙසේ වෙතත්, වඩා හොඳ ආරක්ෂාවක් සහ කාර්ය සාධනයක් සහිත ඝන හෝ ජෙල් වර්ගයේ විද්‍යුත් විච්ඡේදක පිළිබඳ පර්යේෂණ දැන් සිදු කෙරේ.

විභේදකය හෙවත් වෙන්කරණය(Separator)

“නිවහනේ සිටීම”  සහ ” කාර්යාලයට වී හොඳින් වැඩකිරීම” යන කාරණා දෙක අතර සමතුලිතතාවයක් ලබා ගැනීම සඳහා සම්පූර්ණයෙන්ම වෙන් කිරීම අත්‍යවශ්‍ය බැවින්  කැතෝඩ සහ ඇනෝඩය භෞතික සම්බන්ධතා පැවැත්වීම විභේදකය මගින්  වළක්වනු ලැබේ. විභේදකය  මත ඇති කුඩා සිදුරු ලිතියම් අයන චලනය කිරීමට ඉඩ සලසයි. වෙනත් වචන වලින් කිවහොත්, විභේදකය  ඉලෙක්ට්‍රෝඩ දෙක අතර සම්බන්ධතාවය අවහිර කරන නමුත්  හරහා ගමන් කිරීමට අයන වලට ඉඩ සලසයි.

ආරක්ෂාව උදෙසා, විභේදකයට ඉහළ විදුලි පරිවාරකයක්(electrical insulation) සහ තාප ස්ථායීතාවයක් (thermal stability) තිබිය යුතු අතර එය, යම් මට්ටමකට වඩා උෂ්ණත්වයකදී අයන වල චලනය ස්වයංක්‍රීයව අවහිර කළ යුතුය. වර්තමානයේ, පොලිඑතිලීන් (polyethylene – PE) සහ පොලිප්රොපිලීන් (polypropylene – PP) විභේදක ලෙස බහුලව භාවිතා වේ. බැටරිය කුඩා කිරීම සඳහා විභේදක තුනී කිරීම පිළිබඳව අධ්‍යයනයක් දැනට සිදු කෙරේ.

මෙතෙක් අපි ලිතියම් අයන බැටරියක ප්‍රධාන කොටස් හතර සහ ඒවා ක්‍රියා කරන ආකාරය දෙස බැලුවෙමු. ලිතියම්-අයන බැටරි වර්තමානයේ අපගේ ජීවිත පහසු කිරීමට උපකාරී වී අති නමුත් මේ මොහොතේ පවා ඒවායේ සීමාවන් ජය ගැනීම සඳහා තවත් අධ්‍යයනයන් සිදු කෙරෙමින් පවතී.

ඊයේ thathu.com හී පළ වූ ලිපියට අතිරේකයකි

Battery LAB හී පළ වී ඇති Lithium-Ion Battery’s Structure and How It Works යන ලිපිය අසුරෙනි