સંગ્રાહક (સંચાયક) કોષ (storage cell)

સંગ્રાહક (સંચાયક) કોષ (storage cell) : વપરાશ બાદ જેમાંથી વિદ્યુત-ઊર્જા મળતી બંધ થઈ જાય (વીજવિભારણ, discharge) ત્યારે તેમાં વિરુદ્ધ દિશામાં એકદિશ વીજપ્રવાહ (direct current) પસાર કરી તેને પુન: વીજભારિત કરી શકાય તેવો વિદ્યુતકોષ. એક અથવા વધુ આવા એકમો ધરાવતા સમુચ્ચયને સામાન્ય રીતે બૅટરી કહેવામાં આવે છે.

રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા રાસાયણિક ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરતા એકમો બે પ્રકારના હોય છે. એક પ્રકાર એવો હોય છે કે જેમાં ઉપયોગમાં લેવાયેલા રાસાયણિક રીતે સક્રિય પદાર્થો ખલાસ થઈ જાય ત્યારે તે કામ આપતા બંધ થઈ જાય છે. તેમને ફરીથી વીજભારિત કરી શકાતા નથી અને ફેંકી દેવા પડે છે. આવા કોષોને પ્રાથમિક (primary) કોષો કહે છે; દા.ત., ટૉર્ચમાં વપરાતો સાદો શુષ્ક કોષ (dry cell). બીજા પ્રકારના કોષ એવા હોય છે કે તેમને પુન: વીજભારિત કરી તેમાંનાં સક્રિય રાસાયણિક દ્રવ્યો પુન: ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. આવા કોષોને સંગ્રાહક કોષો, વીજસંચાયકો (electric accumulators) અથવા દ્વિતીયક (secondary) કોષો કહે છે. આવા કોષમાં થતી વીજરાસાયણિક (electrochemical) પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોઈ કોષમાંથી વિદ્યુત ખેંચવાથી (વીજવિભારણ વખતે) વીજધ્રુવો (electrodes) આગળ જે પ્રક્રિયા થતી હોય છે તે પુન: વીજભારણ વખતે ઊલટી દિશામાં થાય છે. ઘણી અસંચાયક (non-storage) બૅટરીઓ પ્રતિવર્તી પ્રવિધિ ધરાવતી હોય છે, પણ આર્થિક દૃષ્ટિએ જેમનું વીજભારણ શક્ય હોય તેમને જ સંગ્રાહક કોષો કહે છે.

બધા રાસાયણિક કોષો ત્રણ કાર્યકારી (functional) ઘટકો (elements) ધરાવે છે : કૅથોડ તરીકે ઓળખાતો ધનવીજભારિત વીજધ્રુવ, ઍનોડ તરીકે ઓળખાતો ઋણવીજભારિત વીજધ્રુવ, અને વિદ્યુતવિભાજ્ય (electrolyte) તરીકે ઓળખાતો એક રાસાયણિક પદાર્થ કે જેમાં વીજધ્રુવો ડુબાડવામાં આવે છે. આર્દ્ર (wet) કોષોમાં વિદ્યુતવિભાજય દ્રાવણ રૂપે હોય છે.

સંગ્રાહક કોષોના તેમાં વપરાતા વિદ્યુતવિભાજય પ્રમાણે બે સામાન્ય પ્રકાર હોય છે : (i) લેડ-ઍસિડ, અને (ii) આલ્કલાઇન કોષો.

લેડ–ઍસિડ સંગ્રાહક કોષ : આવા કોષની સૌપ્રથમ શોધ 1859માં ફ્રેન્ચ ભૌતિકવિદ ગેસ્ટન પ્લૅન્ટેએ કરી હતી. તેમણે રબરની પટ્ટીઓ વડે અલગ કરેલી લેડની ચાદરો(sheets)નો વીંટો વાળી તેને બહારથી વીજપ્રવાહ આપી વીજભારિત કરેલ. જોકે વીસ વર્ષ સુધી તે એક પ્રાયોગિક કુતૂહલ તરીકે રહેલ. હાલ મળતા સંગ્રાહક કોષમાં પ્લેટો લેડ(સીસા)ની અને વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ હોઈ તેને આ નામથી ઓળખવામાં આવે છે. વ્યાપારી કોષોમાં તેનું સ્થાન અગત્યનું છે. આવા કોષ વિવિધ જાતના હોય છે, પણ દરેકનાં લાક્ષણિક અંગો સરખાં હોય છે. આ પૈકી એક છે કોષનું વિવૃત પરિપથ (open circuit) વિદ્યુતચાલક બળ (electromotive force), જે લેડ ડાયૉક્સાઇડ(PbO₂)ના ધનવીજધ્રુવ અને લેડના છિદ્રિષ્ટ (spongy) ઋણધ્રુવને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના દ્રાવણમાં ડુબાડવાથી ઉદ્ભવે છે. આનું મૂલ્ય લેડ પેરૉક્સાઇડના જથ્થા, લેડ અથવા વિદ્યુતવિભાજ્યથી સ્વતંત્ર હોય છે; પણ તે તાપમાન અને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડની સાંદ્રતા સાથે બદલાય છે. કોષમાં થતી સમગ્રતયા (overall) રાસાયણિક પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે છે :

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄  2 PbSO₄ + 2H₂O

આને દ્વિસલ્ફેટ (double sulphate) સિદ્ધાંત કહે છે; કારણ કે બંને વીજધ્રુવો આગળ લેડ સલ્ફેટ (PbSO4) ઉત્પન્ન થાય છે. ઉપરની પ્રક્રિયાને બે ભાગમાં વહેંચી શકાય :

ધન છેડા આગળ :

ઋણ છેડા આગળ :

વીજવિભારણ (discharge) દરમિયાન ધન વીજધ્રુવ આગળ PbO₂નું અપચયન (reduction) થાય છે જ્યારે ઋણ વીજધ્રુવ આગળ લેડ(Pb)નું ઉપચયન (oxidation) થાય છે. સાથે સાથે બન્ને કિસ્સામાં સલ્ફેશન (sulphation) થાય છે. આવો સાદો કોષ આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ છે જ્યારે આકૃતિ 2માં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી બૅટરી દર્શાવેલ છે.

કોષને વીજભારિત (charge) કરતી વખતે કોષના બન્ને છેડા પર પ્રતિવોલ્ટેજ (counter voltage) અધ્યારોપિત કરી વીજવિભારણની દિશા કરતાં ઊલટી દિશામાં વીજપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે. આથી કોષમાં ઉપર જણાવ્યા કરતાં ઊલટી પ્રક્રિયા થાય છે. આમ વીજવિભારણ દરમિયાન સલ્ફ્યુરિક ઍસિડની સાંદ્રતા ઘટે છે, જ્યારે વીજભારણ વખતે તે વધે છે. ઍસિડની સાંદ્રતા ચોક્કસ મૂલ્યે આવતાં વીજભારણની ક્રિયા અટકાવી દેવામાં આવે છે. સંપૂર્ણપણે વીજભારિત કોષમાંના વિદ્યુતવિભાજ્યની વિશિષ્ટ ઘનતા (વિ.ઘ.) (specific gravity) 1.28 હોય છે, જ્યારે વીજવિભારિત કોષમાં તે 1.12 હોય છે. આવા કોષનો એક એકમ બે વોલ્ટનો e.m.f. (electromotive force) આપે છે. એક કરતાં વધુ એકમોને શ્રેણીમાં જોડી વોલ્ટેજ વધારી મોટી બૅટરી (દા.ત., 12 Vની) બનાવી શકાય છે. સબમરીનમાં વપરાતી બૅટરીનું વજન 0.91 મેટ્રિક ટન જેટલું હોઈ શકે છે. (જુઓ : લેડ સંગ્રાહક કોષ).

આલ્કલાઇન પ્રકારના સંગ્રાહક કોષો : આ પ્રકારના કોષોમાં આલ્કલાઇન દ્રાવણની પ્રક્રિયા દ્વારા વિદ્યુત પ્રાપ્ત કરવામાં આવતી હોવાથી તેમને આલ્કલાઇન પ્રકારના સંગ્રાહક કોષો કહેવામાં આવે છે. તે વિવિધ પ્રકારના હોય છે.

(અ) નિકલ-આયર્ન આલ્કલાઇન કોષ [એડિસન કોષ અથવા નિફે (NIFE) કોષ] : આવા કોષ આલ્કલાઇન દ્રાવણમાં રહેલા જલયોજિત (hydrated) નિકલ ઑક્સાઇડ અને આયર્નના બનેલા હોય છે. વીસમા સૈકાની શરૂઆતમાં થૉમસ એડિસન (1847-1931) દ્વારા તે શોધવામાં આવેલ. તેમાં ધન-પ્લેટો (positive plates) નિકલનું પડ ચઢાવેલ પોલાદનાં ખાનાં (pockets) જેવા એકમોની હોય છે, જેમાં નિકલ હાઇડ્રૉક્સાઇડ (જલયોજિત નિકલ-ઑક્સાઇડ) અને (વાહકતા વધારવા માટે) ગ્રૅફાઇટ કે નિકલની પતરીઓ (flakes) ભરવામાં આવે છે. ઋણ-પ્લેટો પણ તેવા જ એકમો ધરાવે છે, પણ તેમાં આયર્નનો પાઉડર, ફેરસ ઑક્સાઇડ અને મર્ક્યુરસ ઑક્સાઇડનું મિશ્રણ ભરવામાં આવે છે. (આકૃતિ 3) વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે પોટૅશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ(KOH)નું દ્રાવણ (વિ. ઘ., 1.200, 15° સે.) હોય છે. કેટલીક વાર તેમાં થોડો લિથિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ પણ ઉમેરવામાં આવે છે. બૅટરીમાંનો પ્રત્યેક કોષ 1.2 Vનું વીજચાલક બળ આપે છે. કોષમાં થતી પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

વીજવિભારણ દરમિયાન (Ni-Cd બૅટરીની માફક) નિકેલસ હાઇડ્રૉક્સાઇડ નિકેલિક હાઇડ્રૉક્સાઇડમાં જ્યારે આયર્ન ફેરસ હાઇડ્રૉક્સાઇડમાં ફેરવાય છે. વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે વપરાતો પોટૅશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ વિદ્યુતવાહકતા માટે જરૂરી આયનો પૂરા પાડે છે; પણ લેડ-ઍસિડ કોષની માફક આલ્કલાઇન કોષોમાં (દા.ત., નિકલ-આયર્ન, નિકલ-કૅડમિયમ, સિલ્વર-ઝિંક કે સિલ્વર-કૅડમિયમમાં) રાસાયણિક પ્રક્રિયા દરમિયાન KOHની સાંદ્રતામાં ફેરફાર થતો નથી. વળી નીચાં તાપમાનોએ લેડ-ઍસિડ બૅટરીની માફક ઠારણ(freezing)ને લીધે તેને આકસ્મિક નુકસાન થતું નથી. દ્રાવણમાં ઓગળેલો ઑક્સિજન ચુસ્ત રીતે બંધાયેલો ન હોવાથી વીજભારણ બાદ 10થી 24 કલાકમાં તે મુક્ત થાય છે. અગાઉ આ કોષ અગત્યનો અને દીર્ઘ આયુ ધરાવતો કઠોર (rugged) કોષ ગણાતો હતો, પણ હવે તેનું સ્થાન નિકલ-કૅડમિયમ બૅટરીએ લીધું છે.

(આ) નિકલ–કૅડમિયમ આલ્કલાઇન કોષ : આ કોષ વૉલ્ડમર જુન્ગનરે એડિસન કોષ શોધાયો તે સમયે જ શોધ્યો હતો. આ કોષમાં પણ નિકલ-આયર્ન કોષની માફક જ પ્રક્રિયા થાય છે, પણ તેમાં આયર્નની જગાએ કૅડમિયમ અને નિકલની પતરીઓને બદલે ગ્રૅફાઇટ વાપરવામાં આવે છે. વીજભારણ (loading) દરમિયાન Ni₃+નું Ni અને Ni2+માં અપચયન થાય છે, જ્યારે કૅડમિયમ(Cd)નું Cd₂+માં ઉપચયન થાય છે.

આવો સાદો કોષ આકૃતિ 4માં દર્શાવ્યો છે.

આમાં કૅડમિયમનો વીજધ્રુવ આયર્નના વીજધ્રુવ કરતાં એ રીતે અલગ પડે છે કે તેનો વિભવ (potential) હાઇડ્રોજનના વિભવ કરતાં ઓછો હોવાથી તે વિદ્યુતવિભાજ્ય પ્રત્યે નિષ્ક્રિય હોય છે. કોષનો પાણીનો વપરાશ તથા ફ્લોટ ચાર્જ (float charge) વીજપ્રવાહો ઘણા નીચા હોય છે.

નાની (લઘુ, pocket) Ni-Cd બૅટરી કટોકટીના સમયે વધુ ઉપયોગમાં લેવાય છે, કારણ કે તેને ઓછી સારસંભાળથી પૂર્ણ-વીજભારિત અવસ્થામાં રાખી શકાય છે. તે હલકી હોવાથી સુવાહ્ય (portable) ઉપકરણોમાં વધુ વપરાય છે. વીજતારવિહીન (cordless) સાધનો માટે સીલ-બંધ (sealed) Ni-Cd બૅટરી વિકસાવવામાં આવી છે. તે બટન-પ્રકારના કોષથી માંડીને ટૉર્ચમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રકારમાં મળી શકે છે.

બીજા વિશ્વયુદ્ધ દરમિયાન જર્મનીએ નિસાદિત (sintered) પ્લેટ પ્રકારનો Ni-Cd કોષ વિકસાવ્યો હતો. તેમાં (વાયુરૂપ) નિકલ કાર્બોનીલના વિઘટનથી મળતા અત્યંત બારીક નિકલ પાઉડરને નિકલ અથવા નિકલ-પ્લેટેડ જાળીની આસપાસ સાંચા(mold)માં નિસાદિત કરવામાં આવે છે. ધન પ્લેટો માટે આ તકતીઓ(plaques)ને નિકલના ક્ષાર (સામાન્ય રીતે નાઇટ્રેટ) વડે તરબોળ કરી (impregnated) પ્રક્રમણ દ્વારા છિદ્રોમાં નિકલ-હાઇડ્રેટ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. ઋણ વીજધ્રુવ માટે તકતીને કૅડમિયમના ક્ષાર (નાઇટ્રેટ કે ક્લોરાઇડ) વડે તરબોળ કરી ધન પ્લેટની માફક જ તેનું પ્રક્રમણ કરવામાં આવે છે. વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે KOHનું 1.240થી 1.300 વિ.ઘ.વાળું દ્રાવણ વાપરવામાં આવે છે.

આ કોષ અનેક રીતે સારો ગણાય છે. તેનો આંતરિક અવરોધ ઓછો તથા ઉપયોગિતા-ગુણાંક (utilization coefficient) ઊંચો હોય છે. વળી તે વધુ ઊંચાં કે વધુ નીચાં તાપમાનોએ પણ સારું કામ આપે છે. વિમાનોમાં, ડીઝલ એન્જિન ચાલુ કરવામાં તથા લશ્કરી (military) હેતુઓ માટે પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે.

(ઇ) સિલ્વર ઑક્સાઇડઝિંક આલ્કલાઇન કોષ : 1940ના દાયકામાં સિલ્વરની જાળીમાં સિલ્વર ઑક્સાઇડની ધન પ્લેટો અને છિદ્રિષ્ટ (spongy) ઝિંક(જસત)ની ઋણ પ્લેટો ધરાવતા કોષ વપરાશમાં આવ્યા. ક્ષારણ અટકાવવા ઝિંકમાં થોડો મર્ક્યુરી (પારો) ઉમેરવામાં આવે છે. બે પ્લેટોને પ્લાસ્ટિકના પડદા વડે અલગ રાખવામાં આવે છે. એકમ કદ કે એકમ વજનદીઠ તેની ઍમ્પિયર-કલાક અને વૉટ-કલાક ક્ષમતા ઊંચી હોય છે. તેમાં 1.450 સુધીની ઊંચી વિ.ઘ.વાળું KOHનું દ્રાવણ વધુ લાભદાયી માલૂમ પડ્યું છે. (ઘણી વાર તેને ઝિંક હાઇડ્રૉક્સાઇડ વડે સંતૃપ્ત કરવામાં આવે છે). કોષમાંની પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

આવા કોષો જ્યાં ઓછું વજન લક્ષમાં લેવાનું હોય ત્યાં પ્રાથમિક કે દ્વિતીયક કોષો તરીકે લશ્કરી કે બિનલશ્કરી હેતુઓ માટે વપરાય છે. અત્યંત ઠંડા વાતાવરણમાં પણ તે સારું કામ આપે છે.

(ઈ) સિલ્વર-કૅડમિયમ કોષ પણ સિલ્વર-ઝિંક કોષ જેવો જ હોય છે.

ઉપર દર્શાવેલા સંગ્રાહક કોષોની સરખામણી સારણીમાં આપી છે.

સારણી : કેટલાક સંગ્રાહક કોષોની સરખામણી

બૅટરીનો પ્રકાર	વોલ્ટ પ્રતિકોષ	ઊર્જા વૉટ-કલાક પ્રતિ રતલ*	ઘનતા વૉટ-કલાક પ્રતિ ઘન ઇંચ **
લેડ-ઍસિડ	2.0	10-15	0.6-1.3
નિકલ-આયર્ન	1.2	10-14	0.6-1.0
નિકલ-કૅડમિયમ	1.2	8-11	0.4-0.8
નિકલ-કૅડમિયમ (નિસાદિત)	1.2	10-13	1.0
સિલ્વર-ઝિંક	1.5	20-100	3
સિલ્વર-કૅડમિયમ	1.1	15-50	2.5
* 1 Wh/lb = 7.94 kJ/kg ** 1 Wh/in3 = 0.22 kJ/cm3

1970ના દાયકામાં ઊર્જાના મૂલ્યમાં એકાએક વધારો થતાં વિદ્યુતીય વાહનો માટે તથા વિદ્યુતશક્તિના ભારસમતલન (load levelling) માટે પુન:વીજભારણીય કોષો ઉપર વધુ સંશોધન શરૂ થયું. આમાંના કેટલાક નીચે પ્રમાણે છે :

સોડિયમ-સલ્ફર કોષ : આ કોષ 300° – 400° સે.એ કામ આપે છે. આ કોષમાં પીગળેલા સોડિયમ (Na) અથવા લિથિયમ (Li) (ઍનોડ) અને સલ્ફર(અથવા આયર્ન સલ્ફાઇડ) (કૅથોડ)ને b-ઍલ્યુમિના(ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડનું એક સ્ફટિકીય સ્વરૂપ)ના બનેલા ઘન વિદ્યુતવિભાજ્ય વડે અલગ પાડેલા હોય છે. જ્યારે કોષ પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે ત્યારે સોડિયમ આયનો ઍલ્યુમિનામાંથી પસાર થઈ સલ્ફર તરફ જાય છે અને ત્યાં સોડિયમ પૉલિસલ્ફાઇડ (polysulphide) બનાવે છે. સોડિયમમાંથી મળતા ઇલેક્ટ્રૉન બાહ્ય વીજપરિપથમાં વહે છે. વીજભારણ દરમિયાન આનાથી ઊલટી પ્રવિધિ થાય છે. તેમના અધિકતમ શક્તિ-સ્તરો (peak power levels) અને પ્રમાણમાં ઓછા વજનને કારણે વિદ્યુતવાહનોમાં આવી બૅટરીનો ઉપયોગ થઈ શકે છે; પણ આમાં ઊપજ(output)નો થોડો અંશ તાપમાનને (370° સે.એ) જાળવી રાખવા વાપરવો પડે છે. વળી સોડિયમની કિંમત પણ ઊંચી હોય છે. આવા કોષો તેમની ઊંચી શક્તિ (high power) અને ઊર્જા-ઘનતા (energy density) માટે જાણીતા છે. પણ બૅટરી ઉપયોગી બને તે પહેલાં ઉષ્મીય પ્રતિબળ (stress) અને ઘટકોનું ક્ષારણ (corrosion) ટાળવું જરૂરી છે.

પ્લાસ્ટિક બૅટરી : પૉલિએસિટિલીન (polyacetylene) અને પૉલિએનિલીન (polyaniline) જેવા વિદ્યુતવાહક બહુલકો ઓછા ખર્ચાળ અને વજનમાં હલકાં હોવાથી પુન:ભારણીય બૅટરીના વીજધ્રુવો તરીકે ઉપયોગમાં આવી શકે. વીજવાહક પ્લાસ્ટિક વીજધ્રુવોને યોગ્ય વિદ્યુતવિભાજ્ય સાથે વાપરતાં તે લેડ-ઍસિડ કે નિકલ-કૅડમિયમ બૅટરીના હરીફ બની શકે તેમ છે.

હાલમાં ઍલ્યુમિનિયમ ઍનોડ અને હવાના કૅથોડના સંયુગ્મન(combination)માં સારો એવો રસ પેદા થયો છે. પરિણામે વીજરાસાયણિક રીતે નહિ પણ યાંત્રિક રીતે પુન:વીજભારિત કરી શકાય તેવો કોષ વિચારાયો છે. કોષમાં થતી પ્રક્રિયાઓ નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

વિદ્યુતવિભાજ્ય માધ્યમ તરીકે સોડિયમ ક્લોરાઇડ (લવણીય, saline) અથવા સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ (આલ્કલાઇન) હોઈ શકે. ઉત્પન્ન થતો ઍલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ સરેશ જેવો ચીકણો હોઈ વીજધ્રુવ અને કોષની દીવાલોને ચોંટી જઈ પ્રક્રિયાઓને અવરોધતો હોઈ તેનું પ્રક્ષેપન થાય તે માટે દ્રાવણને હલાવતાં રહેવું પડે છે. કોષપ્રક્રિયા દરમિયાન ઍલ્યુમિનિયમનો ઍનોડ વપરાતો જવાને લીધે તથા વિદ્યુતવિભાજ્યમાંથી પાણી દૂર થતું હોઈ બંનેને થોડા થોડા સમયે બદલવા પડે છે. આમ પુન:વીજભારણ એ ખરેખર તો (યાંત્રિક રીતે) ઍનોડ-દ્રવ્ય અને પાણીનું પ્રતિસ્થાપન (replacement) છે. વીજવિભારણ દરમિયાન ઉત્પન્ન થતા ઍલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડમાંથી ઍલ્યુમિનિયમ પુન:પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

કરાઈકુડી (દક્ષિણ ભારત) ખાતે આવેલ સેન્ટ્રલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિસર્ચ ઇન્સ્ટિટ્યૂટે (CECRIએ) મૅગ્નેશિયમ-ક્યુપ્રસ ક્લોરાઇડ જલ-સક્રિયત (water activated), મૅગ્નેશિયમ-સિલ્વર ક્લોરાઇડ દરિયાઈ પાણી-સક્રિયત (sea water activated), આલ્કલાઇન ઝર્કોનિયમ-મૅન્ગેનીઝ ડાયૉક્સાઇડ જેવા કોષો પ્રાયોગિક સ્તરે વિકસાવ્યા છે.

જ. દા. તલાટી