توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹریوں کے کام کرنے کا اصول
ایکتوانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹریایک ایسا آلہ ہے جو توانائی کو برقی توانائی اور کیمیائی توانائی کے درمیان تبدیل اور ذخیرہ کرتا ہے۔ خارج ہونے والے مادہ کے دوران، کیمیائی توانائی براہ راست برقی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ چارجنگ کے دوران، برقی توانائی کو ذخیرہ کرنے کے لیے دوبارہ کیمیائی توانائی میں تبدیل کر دیا جاتا ہے۔ بیٹری میں مثبت اور منفی الیکٹروڈ مختلف مواد سے بنے ہیں۔ جب ایک ہی الیکٹرولائٹ ڈالا جاتا ہے، تو دونوں الیکٹروڈز اپنے الیکٹروڈ پوٹینشلز قائم کریں گے، جیسا کہ شکل 1-4 میں ABCD ٹوٹی ہوئی لائن سے دکھایا گیا ہے (ڈیشڈ لائن اور الیکٹروڈ کے درمیان کی جگہ بنی ہوئی برقی ڈبل پرت کی نمائندگی کرتی ہے)۔ مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان توازن الیکٹروڈ پوٹینشل میں فرق بیٹری کی الیکٹرو موٹیو فورس (EMF) E تشکیل دیتا ہے۔
تصویر 14 توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹری کے کام کرنے والے اصول کا اسکیمیٹک خاکہ
جب مثبت اور منفی الیکٹروڈ ایک بیرونی بوجھ سے جڑے ہوتے ہیں، مثبت الیکٹروڈ مواد الیکٹران حاصل کرتا ہے اور کمی کے رد عمل سے گزرتا ہے، کیتھوڈک پولرائزیشن پیدا کرتا ہے، اس طرح مثبت الیکٹروڈ پوٹینشل کم ہوتا ہے۔ منفی الیکٹروڈ مواد الیکٹران کھو دیتا ہے اور ایک آکسیکرن رد عمل سے گزرتا ہے، انوڈک پولرائزیشن پیدا کرتا ہے، اس طرح منفی الیکٹروڈ کی صلاحیت میں اضافہ ہوتا ہے۔ بیرونی سرکٹ کے لیے، الیکٹران منفی الیکٹروڈ سے مثبت الیکٹروڈ کی طرف بہتے ہیں، اس لیے موجودہ سمت مثبت الیکٹروڈ سے منفی الیکٹروڈ کی طرف ہے۔ الیکٹرولائٹ میں، چارج کی منتقلی آئن کی حرکت کے ذریعے ہوتی ہے، اس طرح اندرونی سرکٹ میں موجودہ سمت منفی الیکٹروڈ سے مثبت الیکٹروڈ کی طرف ہے۔ خارج ہونے والی حالت میں، بیٹری کی ممکنہ تقسیم کو شکل 1-4 میں ٹوٹی ہوئی لائنوں A'B'C'D کے ذریعے دکھایا گیا ہے۔ پورا عمل ایک مکمل بند لوپ بناتا ہے، جس سے الیکٹروڈز پر آکسیکرن اور کمی کے رد عمل کو مسلسل جاری رہتا ہے، اس طرح بند لوپ کے اندر مسلسل کرنٹ بہاؤ کو یقینی بناتا ہے۔ جب بیٹری کام کر رہی ہوتی ہے، الیکٹروڈز پر برقی توانائی پیدا کرنے والے الیکٹرو کیمیکل رد عمل کو بہاؤ پیدا کرنے والے رد عمل کہا جاتا ہے، اور ان رد عمل میں حصہ لینے والے مادوں کو فعال مواد کہا جاتا ہے۔
بیٹری کی چارجنگ کا عمل بنیادی طور پر اس کے خارج ہونے کے عمل کا الٹ ہے۔ چارجنگ کے دوران، مثبت الیکٹروڈ پر آکسیکرن ہوتا ہے، جبکہ کمی منفی الیکٹروڈ پر ہوتی ہے۔ اس کے ساتھ ساتھ، الیکٹرولائٹ میں آئنوں کی منتقلی کی سمت خارج ہونے کے دوران اس کے مخالف ہوتی ہے، اور اس کیمیائی تبدیلی کے عمل کو چلانے کے لیے بیٹری کے کھلے-سرکٹ وولٹیج سے زیادہ ایک بیرونی طاقت کا ذریعہ درکار ہوتا ہے، جیسا کہ شکل 1-4 میں ٹوٹی ہوئی لائنوں A"B"C"D" سے دکھایا گیا ہے۔
کیمیائی توانائی کو برقی توانائی میں براہ راست تبدیل کرنے کی سہولت کے لیے، توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹری کے اندر ہونے والا ریڈوکس عمل روایتی ریڈوکس رد عمل سے بنیادی طور پر مختلف ہے۔ ایک بیٹری میں، الیکٹرانوں کو کھونے (آکسیڈیشن) اور الیکٹران حاصل کرنے (کمی) کے عمل کو مختلف علاقوں میں الگ کیا جانا چاہیے۔ مزید برآں، جب فعال اجزا رد عمل میں حصہ لیتے ہیں تو الیکٹران کو ایک بیرونی سرکٹ سے گزرنا چاہیے۔ یہ دو اہم عناصر بیٹری کے اندر ریڈوکس میکانزم کو عام کیمیائی ریڈوکس رد عمل اور الیکٹرو کیمیکل سنکنرن مظاہر میں مائیکرو-خلیہ کے رد عمل سے ممتاز کرتے ہیں۔
توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹریوں کی تشکیل
ایک بنیادی توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹری میں چار بنیادی اجزاء شامل ہونے چاہئیں: الیکٹروڈ، الیکٹرولائٹ، الگ کرنے والا، اور بیٹری کیسنگ۔
الیکٹروڈ
الیکٹروڈز، بیٹری کے کلیدی اجزاء کے طور پر، مثبت اور منفی الیکٹروڈز میں تقسیم ہوتے ہیں، جو بنیادی طور پر فعال مواد اور ایک کنڈکٹیو فریم ورک پر مشتمل ہوتے ہیں۔ ان میں سے، فعال مواد بیٹری کے خارج ہونے کے دوران کیمیائی رد عمل کے ذریعے برقی توانائی پیدا کرتے ہیں، اور بیٹری کی کارکردگی کا تعین کرنے والے اہم عنصر ہیں۔ فعال مواد زیادہ تر ٹھوس ہوتے ہیں، لیکن یہ مائعات یا گیسوں کے طور پر بھی موجود ہو سکتے ہیں۔
فعال مواد کا بیٹری کی مجموعی کارکردگی پر فیصلہ کن اثر ہوتا ہے، اور اس لیے عام طور پر درج ذیل کارکردگی کے تقاضے ہوتے ہیں: ① مثبت الیکٹروڈ مواد میں زیادہ صلاحیت ہونی چاہیے، جب کہ منفی الیکٹروڈ مواد کو کم صلاحیت برقرار رکھنے کی ضرورت ہے، تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ بیٹری بڑی الیکٹرو موٹیو قوت پیدا کر سکتی ہے۔ ② فعال مواد میں اچھی الیکٹرو کیمیکل ری ایکٹیویٹی ہونی چاہیے، یعنی انہیں ریڈوکس کے عمل میں آسانی سے حصہ لینا چاہیے۔ ③ فعال اجزاء کو وزن اور حجم کے لحاظ سے اعلی مخصوص صلاحیت کی ضرورت ہوتی ہے۔ ④ فعال مواد کو الیکٹرولائٹ محلول میں بہترین کیمیائی استحکام کی ضرورت ہوتی ہے، اور خود- تحلیل کی شرح ہر ممکن حد تک کم ہونی چاہیے؛ ⑤ فعال مواد میں اعلی الیکٹرانک چالکتا ہونا چاہئے؛ ⑥ معاشیات اور پائیدار ترقی کے نقطہ نظر سے، مثالی فعال مواد ایسے وسائل ہونے چاہئیں جو زمین پر وافر اور سستے ہوں۔ ⑦ فعال مواد انسانی صحت اور قدرتی ماحول کے لیے بھی بے ضرر ہونا چاہیے۔
ایک مخصوص فعال مواد کے لیے مندرجہ بالا تمام معیارات کو پورا کرنا کافی مشکل ہے۔ لہذا، ایک فعال مواد کا انتخاب کرتے وقت ایک جامع غور کرنا ضروری ہے۔ فی الحال، سب سے زیادہ استعمال ہونے والے کیتھوڈ مواد دھاتی آکسائیڈ ہیں، جیسے لیڈ ڈائی آکسائیڈ، مینگنیج ڈائی آکسائیڈ، اور نکل آکسائیڈ، نیز ہوا سے آکسیجن۔ انوڈ مواد کے لیے، کیمیائی طور پر رد عمل کرنے والی دھاتوں کی ایک رینج کو ترجیح دی جاتی ہے، جیسے زنک، سیسہ، کیڈمیم، آئرن، لتیم اور سوڈیم۔
کوندکٹو فریم ورک کا کام فعال مواد کو بیرونی سرکٹ سے جوڑنا اور کرنٹ کی متوازن تقسیم کو یقینی بنانا ہے۔ یہ فعال مواد کی بھی حمایت کرتا ہے۔ ایک مثالی کوندکٹو فریم ورک میں بہترین مکینیکل طاقت، اعلی کیمیائی استحکام، کم مزاحمتی صلاحیت، اور اچھی عمل کی صلاحیت ہونی چاہیے۔
الیکٹرولائٹس
الیکٹرولائٹ کا بنیادی کام آئن کی نقل و حمل کے کام کو انجام دیتے ہوئے مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان موثر آئن کی ترسیل کو یقینی بنانا ہے۔ کچھ معاملات میں، یہ الیکٹرو کیمیکل رد عمل میں بھی حصہ لے سکتا ہے۔ بیٹری میں استعمال ہونے والے الیکٹرولائٹ کے لیے، اس کی کارکردگی کو درج ذیل تقاضوں پر پورا اترنا چاہیے: ① اسے اسٹوریج کے دوران الیکٹرولائٹ اور فعال مواد کے درمیان انٹرفیس پر اہم الیکٹرو کیمیکل رد عمل کو روکنے کے لیے اچھی کیمیائی استحکام کا حامل ہونا چاہیے، اس طرح بیٹری خود سے خارج ہونے والے-خارج کو کم کرتی ہے۔ ② اس میں برقی چالکتا زیادہ ہونی چاہیے۔ الیکٹرولائٹ کی ساخت مختلف قسم کی بیٹریوں میں مختلف ہوتی ہے، اور عام طور پر، تیزاب، الکلیس، یا نمکیات کے بہترین چالکتا کے ساتھ پانی کے محلول کو الیکٹرولائٹ کے طور پر منتخب کیا جاتا ہے۔ تاہم، کچھ نئی پاور ٹیکنالوجیز نئے مواد جیسے نامیاتی سالوینٹ الیکٹرولائٹس، پگھلے ہوئے نمک الیکٹرولائٹس، یا ٹھوس الیکٹرولائٹس کا استعمال کر سکتی ہیں۔
علیحدگی
ایک الگ کرنے والا، جسے جھلی یا پارٹیشن بھی کہا جاتا ہے، بیٹری کے مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان رکھا جاتا ہے۔ اس کا بنیادی کام الیکٹروڈ کے درمیان براہ راست رابطے کو روکنا ہے، جو شارٹ سرکٹ کا باعث بن سکتا ہے۔ سیپریٹرز کے لیے بنیادی کارکردگی کی ضروریات میں شامل ہیں: ① اندرونی شارٹ سرکٹ کو روکنے کے لیے ایک اچھا الیکٹرانک انسولیٹر ہونا۔ ② الیکٹرولائٹ میں آئن کی منتقلی کے خلاف کم مزاحمت کا ہونا، اس طرح پورے آلے کی اندرونی مزاحمت کو کم کرتا ہے اور اعلی-موجودہ خارج ہونے والے حالات میں توانائی کے نقصان کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔ ③ اچھی کیمیائی استحکام کا حامل، الیکٹرولائٹ سنکنرن اور الیکٹروڈ فعال مواد کے ریڈوکس رد عمل کو برداشت کرنا؛ ④ ڈینڈرائٹ کی نشوونما کو مؤثر طریقے سے روکنے اور چھوٹے فعال ذرات کو جھلی میں گھسنے سے روکنے کے لیے کافی مکینیکل طاقت اور موڑنے والی مزاحمت کا ہونا؛ ⑤معاشی عوامل کو مدنظر رکھتے ہوئے، یہ آسانی سے دستیاب اور سستا ہونا چاہیے۔
عام جداکار مواد میں سوتی کاغذ، گودا کاغذ، مائیکرو پورس پلاسٹک، مائیکرو پورس ربڑ، ہائیڈریٹڈ سیلولوز، نایلان کپڑا، اور گلاس فائبر وغیرہ شامل ہیں۔
بیٹری کیسنگ
بیٹری کیسنگ، جسے بیٹری کنٹینر بھی کہا جاتا ہے، موجودہ توانائی ذخیرہ کرنے والی بیٹریوں میں واحد قسم کی بیٹری ہے جہاں زنک الیکٹروڈ بھی کیسنگ کا کام کرتا ہے۔ اس کے برعکس، بیٹری کی دوسری قسمیں فعال مواد کے بجائے بیرونی انکیپسولیشن کے لیے مخصوص مواد استعمال کرتی ہیں۔ ایک مثالی بیٹری کیسنگ بہترین مکینیکل خصوصیات کا حامل ہونا چاہیے، کمپن اور جھٹکے کو برداشت کرے، انتہائی درجہ حرارت کے حالات میں مستحکم رہے، اور الیکٹرولائٹ سے سنکنرن کے خلاف مزاحمت کرے۔ عملی طور پر، دھاتیں، پلاسٹک اور سخت ربڑ جیسے مواد کو ان کے متعلقہ فوائد کی وجہ سے بڑے پیمانے پر بیٹری کیسنگ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔