লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি এবং তাদের উত্পাদন চ্যালেঞ্জ

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি হয় উত্পাদিত ইলেক্ট্রোডের সেটে এবং তারপর কোষগুলিতে একত্রিত হয়।সক্রিয় উপাদান পলিমার বাইন্ডার, পরিবাহী সংযোজন এবং দ্রাবকগুলির সাথে মিশ্রিত করে একটি স্লারি তৈরি করা হয় যা তারপরে একটি বর্তমান সংগ্রাহক ফয়েলের উপর লেপা হয় এবং দ্রাবক অপসারণ করতে এবং একটি ছিদ্রযুক্ত ইলেক্ট্রোড আবরণ তৈরি করতে শুকিয়ে যায়।

কোনো একক লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি নেই।বিভিন্ন ধরণের উপকরণ এবং ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল যুগল উপলব্ধ থাকায়, ভোল্টেজ, চার্জ ব্যবহারের অবস্থা, আজীবন প্রয়োজন এবং নিরাপত্তার ক্ষেত্রে ব্যাটারি কোষগুলি তাদের অ্যাপ্লিকেশনের জন্য নির্দিষ্ট করা সম্ভব।নির্দিষ্ট বৈদ্যুতিক রাসায়নিক দম্পতি নির্বাচন এছাড়াও শক্তি এবং শক্তি অনুপাত এবং উপলব্ধ শক্তি নকশা সহজতর.

একটি বৃহৎ বিন্যাস কক্ষে একীকরণের জন্য অপ্টিমাইজ করা রোল-টু-রোল ইলেক্ট্রোড উত্পাদন এবং সক্রিয় উপকরণ ব্যবহার প্রয়োজন।ইলেক্ট্রোডগুলি সক্রিয় উপাদান, বাইন্ডার এবং পরিবাহী সংযোজনগুলির একটি যৌগিক কাঠামোতে একটি ধাতব বর্তমান সংগ্রাহক ফয়েলের উপর প্রলিপ্ত হয়, যার জন্য কলয়েডাল রসায়ন, আনুগত্য এবং দৃঢ়করণের যত্নশীল নিয়ন্ত্রণের প্রয়োজন হয়।কিন্তু যোগ করা নিষ্ক্রিয় পদার্থ এবং সেল প্যাকেজিং শক্তির ঘনত্ব কমিয়ে দেয়।তদুপরি, ইলেক্ট্রোডে ছিদ্র এবং কম্প্যাকশনের মাত্রা ব্যাটারি কর্মক্ষমতা প্রভাবিত করতে পারে।

এই উপকরণ চ্যালেঞ্জগুলি ছাড়াও, খরচ এই প্রযুক্তির ব্যাপক গ্রহণের জন্য একটি উল্লেখযোগ্য বাধা।বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ 100 Wh/kg এবং 200 Wh/L থেকে $500/kWh পর্যন্ত 250 Wh/kg পর্যন্ত এবং 400 Wh/L মাত্র $125/kWh-এ ব্যাটারি আনার জন্য পথগুলি অনুসন্ধান করা হচ্ছে৷

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির মৌলিক বিষয়

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড (LiCoO) আবিষ্কারের মাধ্যমে সম্ভব হয়েছিল ₂ ), যা লিথিয়াম আয়ন নিষ্কাশন এবং বিদ্যমান আয়নগুলির অর্ধেক অপসারণ পর্যন্ত প্রচুর পরিমাণে শূন্যপদ (স্ফটিক পরিবর্তন ছাড়া) তৈরি করতে দেয়।LiCoO এর জোড়া ₂ গ্রাফাইটের সাহায্যে কার্বন পরমাণুর প্রতিটি ষড়ভুজ বলয়ের মধ্যে অন্তর্বর্তী স্থান দখলকারী গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে লিথিয়াম আয়নগুলির আন্তঃসংযোগের অনুমতি দেয় (বেসেনহার্ড এবং শোলহর্ন 1976; মিজুশিমা এট আল। 1980; হুইটিংহাম 1976)।

লিথিয়াম আয়ন চার্জের সময় ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড (ক্যাথোড) থেকে কঠিন বা তরল ইলেক্ট্রোলাইটের মাধ্যমে ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোডে (অ্যানোড) এবং স্রাবের সময় বিপরীত দিকে ভ্রমণ করে।প্রতিটি ইলেক্ট্রোডে, আয়ন হয় তার চার্জ বজায় রাখে এবং অ্যানোডের পাশে বিদ্যমান স্ফটিকগুলির অন্তর্বর্তী স্থানগুলি দখল করে স্ফটিক কাঠামোর মধ্যে আন্তঃপ্রকাশ করে বা লিথিয়াম আয়ন সেই স্ফটিকে ছেড়ে যাওয়ার সময় তৈরি হওয়া ক্যাথোডে একটি খালি জায়গা পুনরুদ্ধার করে।আয়ন স্থানান্তর করার সময়, হোস্ট ম্যাট্রিক্স হ্রাস পায় বা অক্সিডাইজড হয়, যা একটি ইলেকট্রন মুক্তি বা ক্যাপচার করে। ¹

ক্যাথোড উপকরণ বিভিন্ন

নতুন ক্যাথোড উপাদানের অনুসন্ধান LiCoO এর গুরুত্বপূর্ণ অসুবিধাগুলির দ্বারা চালিত হয় ₂ .ব্যাটারির মূল তাপমাত্রা 40-70°C এবং কিছু নিম্ন-তাপমাত্রার প্রতিক্রিয়ার জন্য সংবেদনশীল হতে পারে।কিন্তু 105-135 ডিগ্রি সেলসিয়াসে এটি অত্যন্ত প্রতিক্রিয়াশীল এবং একটি নিরাপত্তা বিপদের জন্য একটি চমৎকার অক্সিজেন উৎস যাকে বলা হয় তাপ পলাতক প্রতিক্রিয়া , যেখানে অত্যন্ত এক্সোথার্মিক বিক্রিয়া তাপমাত্রার স্পাইক তৈরি করে এবং অতিরিক্ত তাপ নিঃসরণের সাথে দ্রুত ত্বরান্বিত হয় (Roth 2000)।

LiCoO জন্য প্রতিস্থাপন উপকরণ ₂ যে ব্যর্থতা কম প্রবণ.যৌগগুলি কোবাল্টের অংশগুলিকে নিকেল এবং ম্যাঙ্গানিজ দিয়ে প্রতিস্থাপন করে Li(Ni _এক্স Mn _y কো _z )ও ₂ যৌগ (সহ এক্স + y + z = 1), প্রায়শই NMC হিসাবে উল্লেখ করা হয় কারণ এতে নিকেল, ম্যাঙ্গানিজ এবং কোবাল্ট থাকে;অথবা তারা ফসফেট আকারে একটি সম্পূর্ণ নতুন কাঠামো প্রদর্শন করে (যেমন, LiFePO ₄ ) (ড্যানিয়েল এট আল। 2014)।এই ক্যাথোড উপাদানগুলি 3.5-3.7 V এ 120-160 Ah/kg এর পরিসরে ক্ষমতা প্রদর্শন করে, যার ফলে সর্বোচ্চ শক্তির ঘনত্ব 600 Wh/kg পর্যন্ত হয়।

বাস্তব ডিভাইসে প্যাকেজ করা হলে, অনেক নিষ্ক্রিয় উপাদান ভর যোগ করা হয় এবং শক্তির ঘনত্ব প্যাক স্তরে 100 Wh/kg এ নেমে যায়।উচ্চ শক্তির ঘনত্বের জন্য ধাক্কা দেওয়ার জন্য, গবেষকরা উচ্চ ক্ষমতা এবং উচ্চ ভোল্টেজ চেয়েছেন-এবং সেগুলিকে লিথিয়াম- এবং ম্যাঙ্গানিজ সমৃদ্ধ ট্রানজিশন মেটাল অক্সাইডে খুঁজে পেয়েছেন।এই যৌগগুলি মূলত এনএমসি-এর মতো একই উপাদান কিন্তু লিথিয়ামের আধিক্য এবং উচ্চ পরিমাণে ম্যাঙ্গানিজ নিকেল এবং কোবাল্টকে প্রতিস্থাপন করে।লিথিয়ামের উচ্চ পরিমাণ (20 শতাংশের বেশি) যৌগগুলির উচ্চ ক্ষমতা (Thackeray et al. 2007) এবং একটি উচ্চ ভোল্টেজের অনুমতি দেয়, যার ফলে 4.8 V পর্যন্ত চার্জ করা হলে 280 Ah/kg পর্যন্ত ক্যাথোড হয়। তবে , এই নতুন যৌগগুলি স্থিতিশীলতার সমস্যা দেখায় এবং দ্রুত বিবর্ণ হতে থাকে।

কোষে পদার্থের ভারসাম্য

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলি অ্যালুমিনিয়াম এবং তামার বর্তমান সংগ্রাহক ফয়েলগুলিতে ছিদ্রযুক্ত ইলেক্ট্রোডের স্তর দিয়ে তৈরি (ড্যানিয়েল 2008)।ব্যাটারির নিরাপত্তা নিশ্চিত করতে এবং অ্যানোডের অতিরিক্ত চার্জ (যার ফলে লিথিয়াম মেটাল প্লেটিং এবং শর্ট সার্কিটিং হতে পারে) বা ক্যাথোডের অতিরিক্ত ডিসচার্জ (যার ফলে স্ফটিক কাঠামো ভেঙে যেতে পারে) এর ঝুঁকি এড়াতে প্রতিটি ইলেক্ট্রোড জোড়ার ক্ষমতা ভারসাম্যপূর্ণ হওয়া প্রয়োজন। এবং লিথিয়ামের রিইন্টারক্যালেটের জন্য শূন্যপদ হ্রাস, নাটকীয়ভাবে ক্ষমতা হ্রাস)।

গ্রাফাইটের তাত্ত্বিক ক্ষমতা 372 Ah/kg, NMC ক্যাথোডে উপলব্ধ লিথিয়ামের দ্বিগুণ।সুতরাং সুষম লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিতে, ক্যাথোডগুলি সাধারণত অ্যানোডের তুলনায় দ্বিগুণ পুরুত্ব প্রদর্শন করে।কোষের নকশার এই অন্তর্নিহিত ত্রুটিটি ভর পরিবহন এবং গতিবিদ্যার সাথে সমস্যা সৃষ্টি করে এবং এইভাবে উচ্চ-ক্ষমতার ক্যাথোডগুলির জন্য অনুসন্ধানের জন্য উদ্বুদ্ধ করে।

কোষ-স্তরের শক্তির ঘনত্ব বাড়ানোর জন্য, ব্যাটারি কোষে নিষ্ক্রিয় পদার্থগুলিকে ন্যূনতম করা হচ্ছে।উদাহরণস্বরূপ, বর্তমান সংগ্রাহক হ্রাস করার একটি উপায় হল ইলেক্ট্রোডের পুরুত্ব বাড়ানো, কিন্তু এটি পরিবহন সমস্যাকে আরও চালিত করে এবং ইলেক্ট্রোডে একটি উচ্চ প্রকৌশলী ছিদ্রের প্রয়োজন হয়।

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি তৈরিতে খরচের চ্যালেঞ্জ

অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন দ্বারা চালিত গাড়ির তুলনায় বৈদ্যুতিক গাড়ির সম্পূর্ণ অনুপ্রবেশ এবং একটি ব্যয়-নিরপেক্ষ পণ্যের জন্য স্বয়ংচালিত বাজার বহন করবে লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির খরচ অনেক বেশি।সমস্ত বৈদ্যুতিক গাড়ির ব্যাটারির জন্য মার্কিন ডিপার্টমেন্ট অফ এনার্জি খরচ লক্ষ্যমাত্রা হল $125/kWh ব্যবহারযোগ্য শক্তি (DOE 2013)৷বাণিজ্যিক ব্যাটারির বর্তমান খরচ হল $400-500/kWh এবং বর্তমান পরীক্ষামূলক উপকরণগুলির সাথে তাদের অনুমান করা খরচ হল $325/kWh৷পুরোনো প্রজন্মের পণ্যের অনুরূপ খরচে শক্তির ঘনত্ব বৃদ্ধির মাধ্যমে এখন পর্যন্ত খরচ কমানোর বেশিরভাগই অর্জন করা হয়েছে।

উত্পাদন প্রকল্পের অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে আরও ব্যয় হ্রাস করা সম্ভব।লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলি ইলেক্ট্রোডের সেটে তৈরি করা হয় এবং তারপরে কোষগুলিতে একত্রিত হয়।সক্রিয় উপাদান পলিমার বাইন্ডার, পরিবাহী সংযোজন এবং দ্রাবকগুলির সাথে মিশ্রিত করে একটি স্লারি তৈরি করা হয় যা তারপরে একটি বর্তমান সংগ্রাহক ফয়েলের উপর লেপা হয় এবং দ্রাবক অপসারণ করতে এবং একটি ছিদ্রযুক্ত ইলেক্ট্রোড আবরণ তৈরি করতে শুকিয়ে যায়।পছন্দের দ্রাবক, N-methylpyrrolidone (NMP), একটি হিসাবে বিবেচিত হয় পরোক্ষ উপাদান (এটি উত্পাদনের জন্য প্রয়োজন কিন্তু চূড়ান্ত ডিভাইসে থাকে না), তবে এটি ব্যয়বহুল, দাহ্য বাষ্প প্রদর্শন করে এবং অত্যন্ত বিষাক্ত।

এনএমপি-এর দাহ্য বাষ্পগুলির জন্য ইলেক্ট্রোড তৈরির সময় সমস্ত প্রক্রিয়াকরণের সরঞ্জামগুলি বিস্ফোরণ প্রমাণের প্রয়োজন হয়, যার অর্থ সমস্ত স্পার্ক উত্পাদনকারী বৈদ্যুতিক উপাদানগুলিকে বাষ্প থেকে রক্ষা করতে হবে এবং বাষ্পের ঘনত্ব কম রাখার জন্য স্থানগুলিকে উচ্চ বায়ুচলাচল করতে হবে।এই ব্যবস্থাগুলি এই জাতীয় সরঞ্জামগুলির মূলধন ব্যয়কে উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে।

উপরন্তু, ইলেক্ট্রোড উত্পাদন প্ল্যান্টকে তার নিষ্কাশন প্রবাহ থেকে দ্রাবককে পুনরুদ্ধার করতে, এটিকে পাতন করতে এবং এটিকে পুনর্ব্যবহার করতে হবে।এটা আবার বাড়তি খরচ।

জল-ভিত্তিক প্রক্রিয়াকরণ দ্বারা খরচ হ্রাস

জল দ্বারা NMP প্রতিস্থাপন লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি উত্পাদন খরচ কমানোর একটি অসাধারণ সুযোগ.এনএমপির তুলনায় পানির খরচ নগণ্য;জল দাহ্য নয় এবং দাহ্য বাষ্প উৎপন্ন করে না;এবং জল পরিবেশগতভাবে সৌম্য।যাইহোক, জল একটি পোলার দ্রাবক এবং এর আচরণ ননপোলার এনএমপি থেকে সম্পূর্ণ আলাদা।তদ্ব্যতীত, সক্রিয় পদার্থগুলি একত্রিত হওয়ার প্রবণতা রাখে এবং ধাতব বর্তমান সংগ্রাহক পৃষ্ঠগুলি হাইড্রোফোবিক, আবরণ প্রক্রিয়াটিকে আরও কঠিন করে তোলে।

কণার উপর পৃষ্ঠের চার্জের জ্ঞান (জিটা সম্ভাব্য পরিমাপ করে) অল্প পরিমাণে সার্ফ্যাক্টেন্ট প্রবর্তনের মাধ্যমে জলের উপস্থিতিতে পৃষ্ঠের মেরুত্বের নকশাকে সক্ষম করে।ক্যাথোড ইন্টারক্যালেশন যৌগগুলির ক্ষেত্রে, পলিথিন ইমাইড সফলভাবে কণাগুলিকে বিকর্ষণ করার জন্য যথেষ্ট পরিমাণে একটি পৃষ্ঠের চার্জ প্রবর্তন করতে ব্যবহার করা হয়েছে যাতে তারা অগ্রহণযোগ্য সমষ্টি তৈরি না করে (Li et al. 2013)।

ধাতুগুলির পৃষ্ঠের শক্তি এবং স্লারির পৃষ্ঠের টান বোঝার পাশাপাশি তাদের মিথস্ক্রিয়া জোড়ার অপ্টিমাইজেশনের জন্য অনুমতি দেয়।করোনা প্লাজমার সংস্পর্শে আসার মাধ্যমে ধাতব পৃষ্ঠের বায়ুমণ্ডলীয় প্লাজমা চিকিত্সা পৃষ্ঠের জৈব যৌগগুলিকে সরিয়ে দেয় এবং সামান্য এচিং এবং অক্সিডেশন সক্ষম করে, যা নাটকীয়ভাবে স্লারির পৃষ্ঠের টানের নীচের মানগুলিতে পৃষ্ঠের শক্তিকে হ্রাস করে।এটি স্লারি দ্বারা পৃষ্ঠের নিখুঁত ভেজানোর অনুমতি দেয় এবং অপ্টিমাইজড আনুগত্য সহ একটি আবরণ তৈরি করে (Li et al. 2012)।ফলাফল হল ইলেক্ট্রোড উৎপাদনে 75 শতাংশ কর্মক্ষম এবং উপকরণ খরচ হ্রাস এবং স্বয়ংচালিত অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য ব্যাটারি প্যাক স্তরে 20 শতাংশ পর্যন্ত সম্ভাব্য খরচ হ্রাস (Wood et al. 2014)৷এতে নিম্নতর সরঞ্জামের খরচ অন্তর্ভুক্ত নয়: প্লাজমা প্রক্রিয়াকরণ সরঞ্জামের সাথে যুক্ত ব্যয় দ্রাবক পুনরুদ্ধার ব্যবস্থা এবং বিস্ফোরণ-প্রমাণ প্রয়োজনীয়তার তুলনায় অনেক কম।

খরচ কমানোর জন্য ভবিষ্যতের সুযোগ

ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের জন্য পরিবহন ব্যবস্থা এবং ইলেক্ট্রোড আর্কিটেকচারের প্রভাব সম্পর্কে আরও বেশি জ্ঞানের মাধ্যমে আরও খরচ হ্রাস করা হবে।বর্তমান গবেষণা মূলত আণবিক প্রক্রিয়া বুঝতে এবং ইলেক্ট্রোড, ইলেক্ট্রোড স্ট্যাক এবং ব্যাটারি কোষের নকশা উন্নত করার জন্য মডেলিং এবং সিমুলেশনের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে।ঘন ইলেক্ট্রোড এবং নিষ্ক্রিয় পদার্থের একটি অসাধারণ হ্রাস কম খরচে শক্তির ঘনত্ব উন্নত করবে, সরাসরি খরচ কমিয়ে দেবে এবং সম্ভবত অনেক ছোট এবং কম শক্তির নিবিড় ব্যাটারি গঠন সাইক্লিং সক্ষম করবে।

উপসংহার

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলি স্বয়ংচালিত বহরের আংশিক থেকে সম্পূর্ণ বিদ্যুতায়ন সক্ষম করার জন্য, পরিবহনের জন্য শক্তির উত্সগুলিকে বৈচিত্র্যময় করার এবং মাঝে মাঝে নবায়নযোগ্য শক্তি সরবরাহের উচ্চতর অনুপ্রবেশের জন্য বৃহৎ আকারের শক্তি সঞ্চয়কে সমর্থন করার জন্য অসাধারণ সম্ভাবনা রয়েছে।যাইহোক, খরচ একটি সমস্যা হিসাবে অব্যাহত রয়েছে এবং একটি শক্তিশালী সাপ্লাই চেইন, উত্পাদনের মান, উচ্চ উত্পাদন থ্রুপুট এবং সুবিন্যস্ত স্বল্প-ব্যয় প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতির বিকাশের দ্বারা সমাধান করা প্রয়োজন।খরচ কমানোর পাশাপাশি, ব্যাটারিতে উপলব্ধ শক্তির নকশা ও ব্যবহারকে অপ্টিমাইজ করতে এবং তাদের জীবনকাল বাড়ানোর জন্য গবেষণা আণবিক প্রক্রিয়া এবং পরিবহন সমস্যা সম্পর্কে জ্ঞান বাড়াতে পারে।

এই কাগজে দেখানো হয়েছে, সক্রিয় ইলেক্ট্রোড উপকরণে শক্তির পরিমাণ এবং ক্ষমতা বৃদ্ধি এবং উৎপাদনে পরোক্ষ উপকরণের হ্রাস খরচ প্রভাবিত করার দুটি উপায়।

স্বীকৃতি

ওক রিজ ন্যাশনাল ল্যাবরেটরিতে (ORNL; UT Battelle, LLC দ্বারা পরিচালিত) মার্কিন ডিপার্টমেন্ট অফ এনার্জি ( চুক্তির অধীনে DE-AC05-00OR22725) এই গবেষণার অংশগুলি অফিস অফ এনার্জি এফিসিয়েন্সি অ্যান্ড রিনিউয়েবল এনার্জি (EERE) ভেহিক্যাল টেকনোলজিস দ্বারা স্পনসর করা হয়েছিল অফিস (ভিটিও) অ্যাপ্লাইড ব্যাটারি রিসার্চ (এবিআর) সাবপ্রোগ্রাম (প্রোগ্রাম ম্যানেজার: পিটার ফাগুই এবং ডেভিড হাওয়েল)।লেখক ডেভিড উড, জিয়ানলিন লি, এবং ORNL-এর DOE ব্যাটারি ম্যানুফ্যাকচারিং R&D ফ্যাসিলিটির দেবাশিস মোহান্তি এবং ORNL-এর উপকরণ বিজ্ঞান ও প্রযুক্তি বিভাগে বেথ আর্মস্ট্রং-এর সাথে অনেক ফলপ্রসূ আলোচনা এবং অবদান স্বীকার করেছেন।

নিবন্ধের উত্স: বসন্ত সেতু: ইঞ্জিনিয়ারিং এবং তার পরেও ফ্রন্টিয়ার থেকে