^{प्रा. अमर्त्य मुखोपाध्याय, स्वर्णजयंती सन्मान्य सदस्यत्व २०२०-२१ चे मानकरी}

भारताला स्वातंत्र्यप्राप्ती होऊन पन्नास वर्ष पूर्ण झाली या घटनेच्या स्मरणार्थ विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभाग, भारत सरकारने स्वर्णजयंती सन्मान्य सदस्यत्व योजना सुरू केली आहे. दरवर्षी, जीवशास्त्र, रसायनशास्त्र, पर्यावरण विज्ञान, अभियांत्रिकी, गणित, वैद्यकशास्त्र आणि भौतिकशास्त्र या विषयातील व्यावहारिक अथवा मूलभूत क्षेत्रात उल्लेखनीय आणि अव्वल दर्जाचे संशोधन कार्य करणाऱ्या काही ख्यातनाम तरुण शास्त्रज्ञांना हे सदस्यत्व दिले जाते.

यंदाच्या म्हणजे २०२१ सालच्या सन्मान्य सदस्यत्वाचे मानकरी ठरलेले डॉ. अमर्त्य मुखोपाध्याय भारतीय तंत्रज्ञान संस्था बॉम्बे, (IIT बॉम्बे) मुंबई येथील धातूअभियांत्रिकी आणि पदार्थ विज्ञान विभागात प्राध्यापक पदावर कार्यरत आहेत. प्राध्यापक अमर्त्य मुखोपाध्याय यांना त्यांच्या अभियांत्रिकी विज्ञान क्षेत्रातील विशेष योगदानासाठी मिळालेल्या या प्रतिष्ठित सन्मान्य सदस्यत्वाअंतर्गत मासिक ₹ २५०००/- रु. विद्यावेतन आणि पाच वर्षांसाठी संशोधन अनुदानदेखील मिळाले आहे. प्रा. अमर्त्य मुखोपाध्याय यांना इतर सन्माननीय पुरस्कार आणि मान्यता प्राप्त झाल्या आहेत. त्यातील उल्लेखनीय मान्यता म्हणजे रॉयल सोसायटी ऑफ केमिस्ट्री (युनायटेड किंगडम) नियतकालिकाने जाहीर केलेल्या '२०१९ मधील उदयोन्मुख संशोधकां’मध्ये  गणना, तसेच इंडियन नॅशनल ॲकॅडमी ऑफ इंजिनीअरिंग (आयएनएइ) कडून जाहीर झालेला यंग इंजिनियर पुरस्कार. इतकेच नाही तर त्यांनी ‘इंटरडिसिप्लिनरी इंजिनिअरिंग सायन्सेस: कॉन्सेप्ट्स अँड ॲप्लिकेशन्स टू मटेरियल सायन्स’ या पाठ्यपुस्तकाचे सह-लेखन देखील केले आहे. 

प्रा. मुखोपाध्याय भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथे उच्च तापमान आणि ऊर्जा संसाधन प्रयोगशाळेचे प्रमुख आहेत. लिथियम-आयन आणि सोडियम-आयनच्या बॅटरीजमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या धनाग्राची रचना करण्यासाठी नवीन प्रतिक्रियाशील मिश्र धातू शोधण्यात त्यांनी अग्रगण्य भूमिका बजावली आहे. "अत्याधुनिक आणि प्रगतीशील उपयोगीतेसाठी चांगल्या, मजबूत व दीर्घकाळ टिकणाऱ्या पुन:विद्युत-भारीत होऊ शकतील अशा बॅटरीज तयार करण्याचे आमचे उद्दिष्ट आहे. उदा. इलेक्ट्रिक वाहनांसाठीच्या आणि अक्षय स्रोतांमधून मिळवलेल्या ऊर्जेच्या साठवणुकीसाठी वापरल्या जाणाऱ्या बॅटरीज," ते म्हणाले.

मिशन इनोव्हेशन इंडिया अंतर्गत, वीज निर्मितीसाठी जीवाश्म इंधनाची कमी गरज लागेल अशा प्रगत बॅटरीवर चालणाऱ्या पर्यावरणानुकूल इलेक्ट्रिक वाहनांना प्रोत्साहन देण्याकडे देश वाटचाल करू लागला आहे. प्रा मुखोपाध्याय म्हणतात, या उपाययोजना अधिकाधिक वास्तववादी करण्यासाठी या बॅटरींची सुयोग्य रचना कशी करावी याबाबत अनेक आव्हाने आहेत जी पार करावी लागतील. बॅटरीच्या प्रगत उपयुक्ततेसाठी त्यातील विविध घटकांवर अधिक लक्षपूर्वक काम करून सुधारणा करणे गरजेचे आहे. उदा. प्रति युनिट वस्तुमान किंवा घनफळात साठवलेली ऊर्जा (उर्जा घनता); विशेषतः इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी, साठवलेल्या ऊर्जेचे (पॉवर डेन्सिटी) जलद संग्रहण आणि वितरण; कार्याच्या अनुक्रमांचे टप्पे पूर्ण होण्याच्या कालावधीत मध्येच खराब न होणाऱ्या आणि दीर्घायुषी बॅटरीज; तसेच बॅटरीज वापराबद्दलचे सुरक्षेचे निकष इत्यादी.

प्रा. मुखोपाध्याय यांचा गट सक्रियपणे अभिनव उपायांवर संशोधन करत आहे, त्यापैकी एक म्हणजे अशा नवीन मिश्रधातू पदार्थाची रचना ज्यामुळे लिथियम-आयन बॅटरीच्या यंत्रणेमध्ये लिथियम-थर आणि 'डेंड्राइट' निर्मिती कमी होईल, व त्यामुळे बॅटरीच्या सुरक्षिततेच्या पैलूंमध्ये सुधारणा होईल. याव्यतिरिक्त, ते बॅटरीची ऊर्जा साठवण क्षमता, काही मिनिटांतच चार्ज होण्याची क्षमता आणि बॅटरीचे आयुष्य वाढवण्याचा प्रयत्न देखील करत आहेत.

लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये एका पडद्याद्वारे स्वतंत्र केलेले दोन इलेक्ट्रोड द्रवरूप इलेक्ट्रोलाइटमध्ये लटकत असतात. कॅथोड सामान्यत: लिथियमच्या संक्रमण धातूच्या ऑक्साईडवर आधारित संयुग वापरून बनलेले असते आणि त्याच्या जाळीदार रचनेपासून (क्रिस्टल स्ट्रक्चर) लिथियम आयन निर्मित होतात. अॅनोड मात्र ग्राफाईटचा बनलेला असतो, आणि त्याच्या जाळीदार संरचनेमध्येदेखील आयन संचयित होऊ शकतात. एनोडची रचना आणि त्याचे रासायनिक स्वरूप असे असते की येणारे लिथियम आयन चार्जिंग-डिस्चार्जिंग चक्रादरम्यान जाळीच्या जागेत (ज्याला इंटरकॅलेशन म्हणतात) साचतात आणि विस्थापित होतात. धन आणि ऋण विद्युत वाहक टोके इलेक्ट्रोडशी जोडलेली असतात, ज्यामधून विद्युत् प्रवाह संचारित होतो.

^{लिथियम-आयन बॅटरीचे प्रातिनिधिक चित्र (डावीकडे); आधुनिक बॅटरीची प्रयोगशाळेतील चाचणी (छायाचित्र सौजन्य : प्रा. मुखोपाध्याय)}

चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान, कॅथोड लिथियम आयन तयार करते जे विभाजक पडद्याद्वारे झिरपते आणि ॲनोडच्या जाळीमध्ये अडकते. इलेक्ट्रॉन बाह्य सर्किटमधून फिरतात आणि बॅटरी चार्ज करतात. डिस्चार्ज सायकलमध्ये, याउलट घडते आणि लिथियम आयन कॅथोडकडे परत येऊन रासायनिक प्रक्रिया पूर्ण होते.

सध्याच्या लिथियम आयन बॅटरी प्रणालीमध्ये काही अंगभूत कमतरता आहेत, उदा. बॅटरीचे कमी आयुष्य (विद्युतघटांमधील ऱ्हासामुळे), मंदगतीने होणारे चार्जिंग/डिस्चार्जिंग, विद्युतघटांचे संभाव्य शॉर्ट सर्किटिंग (कार्यानुक्र्म आणि सुरक्षिततेला धोका निर्माण करू शकणारे) तसेच ज्वलनशील आणि घातक रसायनांचा वापर. प्रा. मुखोपाध्याय म्हणतात, “सध्याच्या बॅटरी प्रणालीला भेडसावणाऱ्या समस्या खरेतर त्यात वापरल्या जाणार्‍या साहित्यात आणि त्यांच्या काम करण्याच्या स्थितीशी संबंधित आहेत. “विशेषतः, जर आपण कॅथोड जाळीमधून अधिकाधिक लिथियम काढून ॲनोड जाळीमध्ये अधिकाधिक लिथियम घुसवण्याचा प्रयत्न केला तर चार्जिंग-डिस्चार्जिंगची चक्रे जलदगतीने घडतात आणि बॅटरी संरचनात्मकदृष्ट्या अस्थिर होऊ शकते. यामुळे बॅटरीतील उपलब्ध छोट्याशा जागेचा यांत्रिक ताण देखील वाढू शकतो. या कारणांमुळे प्रत्येक चार्ज-डिस्चार्ज चक्रादरम्यान बॅटरी लवकर खराब होते,” असेही ते पुढे म्हणाले.

या बॅटरीजचा आणखी एक दोष असा आहे की विशेषत: जलद चार्जिंग होत असताना, बरेचदा ग्राफिक कार्बन इलेक्ट्रोडच्या म्हणजेच ॲनोडच्या बाजूला लिथियम आयनचा थरावर थर जमा होतो. परिणामी, या थरातील आयनच्या अणकुचीदार सुया बनतात. यांना डेंड्राइट्स म्हणतात. कालांतराने, हे डेंड्राइट्स अजून लांब होतात आणि त्यांच्या टोकदार अग्रभागामुळे विभाजक पडद्याला छिद्रे पडू शकतात व त्यामुळे बॅटरीमध्ये शॉर्ट सर्किट होऊ शकते.

प्रा. मुखोपाध्याय म्हणतात, लिथियम-आयन बॅटरीज विकसित झाल्यापासून ते आजतागायत, बहुतेक सुधारणा कॅथोडच्या बाबतीतच झाल्या आहेत, याविरुद्ध ॲनोडवर सुधारणा करण्याचे व्यावहारिकदृष्ट्या कमी किंवा काहीही प्रयत्न झालेले नाहीत. परंतु, आम्ही सध्या ॲनोडविषयक आव्हाने सोडवण्याचा प्रयत्न करत आहोत. “आम्ही अशा विशिष्ठ मिश्रधातूंची संरचना आणि विकास करत आहोत, ज्यांच्यामुळे ऊर्जा साठवण क्षमता लक्षणीयरीत्या वाढू शकते, विद्युतप्रभार जलदगतीने प्रवाहित होऊ शकतो आणि लिथियम-डेंड्राइट निर्मिती रोखता किंवा कमी करता येऊ शकते. या संशोधनामुळे भविष्यात सोडियम आयन बॅटरी प्रणालीच्या व्यापक यशस्वी विकासास देखील मदत होईल,” असे ते पुढे म्हणाले.

प्राध्यापक सांगतात की त्यांचे लिथियम आणि सोडियम आयन बॅटरीवरील सध्याचे संशोधन टेक्नॉलॉजी रेडिनेस लेव्हल ४ (टीआरएल-4) या टप्प्यावर आहे. म्हणजेच, त्यांनी त्यांच्या संशोधनाच्या परिणामांची चाचणी घेण्यासाठी प्रयोगशाळा स्तरावर कार्यरत असणारे नमुने तयार केले आहेत. प्रस्तुत सदस्यत्वाने त्यांना त्यांचे संशोधन आणखी पुढे नेण्यास मदत होईल: म्हणजेच एक व्यावसायिक मॉडेल तयार करण्याच्या दृष्टीने त्यांना पावले उचलता येतील. त्यांचा विभाग आणि संस्था अभियांत्रिकी विज्ञानाच्या क्षेत्रात केवळ शैक्षणिक आणि प्रायोगिक नाही तर उद्योगधंद्यांना वापरास योग्य असे काम करतात.