বিভিন্ন লিথিয়াম ব্যাটারি অ্যানোড উপকরণের বৈশিষ্ট্য এবং পরিবর্তন

১৯৮৯ সালে, SONY আবিষ্কার করে যে পেট্রোলিয়াম কোক রিচার্জেবল ব্যাটারিতে লিথিয়ামের বিকল্প হিসেবে কাজ করতে পারে। এর ফলে বৃহৎ পরিসরে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির প্রয়োগ শুরু হয়। সেই সময় থেকেই অ্যানোড উপকরণ নিয়ে গবেষণা শুরু হয়। পরবর্তী ৩০ বছরে, তিন প্রজন্মের অ্যানোড উপকরণ আবির্ভূত হয়। এর মধ্যে রয়েছে কার্বন, লিথিয়াম টাইটানেট এবং সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণ। এই নিবন্ধটি শ্রেণীবদ্ধ করে লিথিয়াম ব্যাটারি অ্যানোড উপকরণ গঠন অনুসারে এবং সংক্ষেপে তাদের বৈশিষ্ট্য এবং কর্মক্ষমতা পরিচয় করিয়ে দেয়। এটি উপাদানের উন্নতি এবং উন্নয়নের দিকনির্দেশনার অগ্রগতি পর্যালোচনা করে। পরবর্তী প্রজন্মের উচ্চ-শক্তি-ঘনত্বের অ্যানোড উপকরণগুলির উপর ফোকাস করা হয়েছে। এই উপকরণগুলির ভবিষ্যতের প্রবণতা এবং বর্তমান অবস্থা তুলে ধরা হয়েছে।

কার্বন পদার্থ

কার্বন উপকরণ হল বর্তমানে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত বাণিজ্যিক লিথিয়াম ব্যাটারি অ্যানোড উপকরণ। এর মধ্যে প্রধানত প্রাকৃতিক গ্রাফাইট, কৃত্রিম গ্রাফাইট, শক্ত কার্বন, নরম কার্বন এবং MCMB অন্তর্ভুক্ত। পরবর্তী প্রজন্মের অ্যানোডগুলি পরিপক্ক হওয়ার আগে, কার্বন - বিশেষ করে গ্রাফাইট - মূলধারার পছন্দ হিসাবে থাকবে।

গ্রাফাইট

কাঁচামাল এবং প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে গ্রাফাইটকে প্রাকৃতিক এবং কৃত্রিম প্রকারে ভাগ করা হয়েছে। কম লিথিয়াম সম্ভাবনা, উচ্চ প্রাথমিক দক্ষতা, ভাল সাইক্লিং স্থিতিশীলতা এবং কম খরচের কারণে, গ্রাফাইট বর্তমান লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আদর্শ অ্যানোড উপাদান হয়ে উঠেছে।

প্রাকৃতিক গ্রাফাইট: সাধারণত কাঁচামাল হিসেবে প্রাকৃতিক ফ্লেক গ্রাফাইট ব্যবহার করে, যা পরিবর্তনের মাধ্যমে গোলাকার গ্রাফাইটে প্রক্রিয়াজাত করা হয়।
যদিও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়, প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের বেশ কিছু অসুবিধা রয়েছে: অনেক পৃষ্ঠের ত্রুটি এবং বৃহৎ নির্দিষ্ট পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল কম প্রাথমিক দক্ষতার দিকে পরিচালিত করে। পিসি-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে, দ্রবীভূত লিথিয়াম আয়নগুলির গুরুতর সহ-আন্তঃসংযোগ ঘটে, যার ফলে স্তরের প্রসারণ এবং এক্সফোলিয়েশন হয়। শক্তিশালী অ্যানিসোট্রপি প্রান্ত সমতলগুলিতে লিথিয়াম সন্নিবেশকে সীমিত করে, যার ফলে দুর্বল হারের কর্মক্ষমতা এবং লিথিয়াম প্লেটিং ঝুঁকি তৈরি হয়।

প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের পরিবর্তন:

প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের পৃষ্ঠের ত্রুটি এবং দুর্বল ইলেক্ট্রোলাইট সহনশীলতা মোকাবেলা করার জন্য, বিভিন্ন সার্ফ্যাক্ট্যান্ট পরিবর্তনের জন্য ব্যবহার করা হয়।

প্রাকৃতিক গ্রাফাইটে শক্তিশালী অ্যানিসোট্রপি মোকাবেলা করার জন্য, শিল্প উৎপাদন প্রায়শই গোলকীয়করণের জন্য যান্ত্রিক আকার ব্যবহার করে। জেট মিল কণার সংঘর্ষ ঘটাতে এবং ধারালো প্রান্ত ছাঁটাই করতে বায়ুর আঘাত ব্যবহার করে। এই পদ্ধতিটি অপবিত্রতা ডোপিং এড়ায় এবং উচ্চ গোলকীয়করণ দক্ষতা প্রদান করে।
তবে, এটি উল্লেখযোগ্য কণা গুঁড়ো করে, যার ফলে ফলন কম হয়।

কৃত্রিম গ্রাফাইট: সাধারণত ঘন পেট্রোলিয়াম কোক বা সুই কোক প্রিকার্সার দিয়ে তৈরি, যা প্রাকৃতিক গ্রাফাইটে পাওয়া পৃষ্ঠের ত্রুটি এড়ায়। তবে, এটি এখনও দুর্বল হারের কর্মক্ষমতা, নিম্ন-তাপমাত্রার আচরণ এবং স্ফটিক অ্যানিসোট্রপির কারণে লিথিয়াম প্লেটিংয়ে ভুগছে। প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের বিপরীতে, কৃত্রিম গ্রাফাইটকে ওরিয়েন্টেশন সূচক (OI) হ্রাস করার জন্য কণার আকারবিদ্যা পুনর্গঠন করে পরিবর্তন করা হয়। সাধারণত, 8-10 μm সুই কোককে পিচ বা অনুরূপ গ্রাফিটাইজেবল বাইন্ডার সহ একটি প্রিকার্সার হিসাবে ব্যবহার করা হয়। ঘূর্ণমান ভাটি চিকিত্সার মাধ্যমে, বেশ কয়েকটি কণাকে গৌণ কণায় (D50: 14-18 μm) আবদ্ধ করা হয়, তারপর গ্রাফিটাইজ করা হয়, কার্যকরভাবে OI মান কমিয়ে দেয়।

নরম কার্বন

নরম কার্বন, যা গ্রাফিটাইজেবল কার্বন নামেও পরিচিত, বলতে এমন নিরাকার কার্বন পদার্থকে বোঝায় যা ২৫০০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের উপরে গ্রাফিটাইজ করা যায়। পূর্বসূরীর সিন্টারিং তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে, নরম কার্বন তিনটি স্ফটিক কাঠামো তৈরি করতে পারে: নিরাকার, টার্বোস্ট্র্যাটিক (বিশৃঙ্খল), এবং গ্রাফাইট কাঠামো - পরেরটি হল সাধারণ কৃত্রিম গ্রাফাইট। কম স্ফটিকতা এবং বৃহৎ আন্তঃস্তর ব্যবধান সহ নিরাকার নরম কার্বনের ভালো ইলেক্ট্রোলাইট সামঞ্জস্য রয়েছে। ফলস্বরূপ, এটি চমৎকার নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা এবং ভালো হার ক্ষমতা প্রদান করে, যা ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করে।

প্রথম চার্জ এবং ডিসচার্জের সময় নরম কার্বনের অপরিবর্তনীয় ক্ষমতা বেশি, আউটপুট ভোল্টেজ কম এবং কোনও স্বতন্ত্র চার্জ/ডিসচার্জ প্লেটাস থাকে না। ফলস্বরূপ, এটি সাধারণত স্বাধীনভাবে অ্যানোড উপাদান হিসাবে ব্যবহৃত হয় না বরং একটি আবরণ অথবা উপাদান।

শক্ত কার্বন

কঠিন কার্বন, যা নন-গ্রাফিটাইজেবল কার্বন নামেও পরিচিত, ২৫০০° সেলসিয়াসের বেশি তাপমাত্রায়ও গ্রাফাইটাইজ করা কঠিন। এটি সাধারণত ৫০০-১২০০° সেলসিয়াসে পূর্বসূরীদের তাপ চিকিত্সার মাধ্যমে উৎপাদিত হয়। সাধারণ ধরণের কঠিন কার্বনের মধ্যে রয়েছে রজন কার্বন, জৈব পলিমার পাইরোলাইসিস কার্বন, কার্বন কালো, এবং জৈববস্তুপুঞ্জ কার্বন। ফেনোলিক রজন, যখন ৮০০°C তাপমাত্রায় পাইরোলাইজ করা হয়, তখন ৮০০ mAh/g পর্যন্ত প্রাথমিক চার্জ ক্ষমতা সহ শক্ত কার্বন তৈরি করে এবং ০.৩৭ nm-এর বেশি d002 আন্তঃস্তর ব্যবধান (গ্রাফাইটের জন্য ০.৩৩৫৪ nm-এর তুলনায়)। বৃহত্তর আন্তঃস্তর ব্যবধান লিথিয়াম-আয়ন সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশনকে সহজতর করে, যা শক্ত কার্বনকে চমৎকার চার্জ/ডিসচার্জ কর্মক্ষমতা দেয়। এটি অ্যানোড উপকরণগুলির জন্য শক্ত কার্বনকে একটি নতুন গবেষণা কেন্দ্র করে তোলে। তবে, এর অসুবিধাগুলির মধ্যে রয়েছে উচ্চ প্রাথমিক অপরিবর্তনীয় ক্ষমতা, ভোল্টেজ মালভূমি হিস্টেরেসিস, কম ট্যাপ ঘনত্ব এবং গ্যাস উৎপন্ন করার প্রবণতা, যা উপেক্ষা করা যায় না।

লিথিয়াম টাইটানেট উপাদান

লিথিয়াম টাইটানেট (LTO): লিথিয়াম টাইটানেট (LTO) হল ধাতব লিথিয়াম এবং কম-সম্ভাব্য ট্রানজিশন ধাতু টাইটানিয়ামের সমন্বয়ে গঠিত একটি যৌগিক অক্সাইড। এটি স্পিনেল-টাইপ কঠিন দ্রবণের AB₂X₄ সিরিজের অন্তর্গত। LTO-এর তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ক্ষমতা 175 mAh/g, যার প্রকৃত নির্দিষ্ট ক্ষমতা 160 mAh/g-এর চেয়ে বেশি। এটি লিথিয়াম ব্যাটারি অ্যানোড উপাদানগুলির মধ্যে একটি যা ইতিমধ্যেই বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়েছে।

সুবিধা

শূন্য স্ট্রেন বৈশিষ্ট্য: LTO-এর একটি ল্যাটিস প্যারামিটার a = 0.836 nm। চার্জ/ডিসচার্জের সময়, লিথিয়াম সন্নিবেশ/নিষ্কাশনের ফলে এর স্ফটিক কাঠামোর উপর ন্যূনতম প্রভাব পড়ে। এটি আয়তনের প্রসারণ/সংকোচনের ফলে কাঠামোগত পরিবর্তন রোধ করে, যা এটিকে চমৎকার তড়িৎ রাসায়নিক স্থিতিশীলতা এবং চক্র জীবন দেয়।

লিথিয়াম প্লেটিং ঝুঁকি নেই: LTO-এর উচ্চ লিথিয়াম সন্নিবেশ ক্ষমতা ১.৫৫ V। প্রাথমিক চার্জের সময় কোনও SEI ফিল্ম তৈরি হয় না, যার ফলে উচ্চ প্রথম-চক্র দক্ষতা, ভাল তাপীয় স্থিতিশীলতা, কম ইন্টারফেস প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং চমৎকার নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা পাওয়া যায় - -৪০°C তাপমাত্রায় চার্জ করা যায়।

3D দ্রুত আয়ন পরিবাহী: LTO-এর একটি 3D স্পিনেল কাঠামো রয়েছে, যেখানে লিথিয়াম পথগুলি গ্রাফাইটের আন্তঃস্তর ব্যবধানের চেয়ে অনেক বড়।
এর আয়নিক পরিবাহিতা গ্রাফাইটের চেয়ে অনেক বেশি, যা এটিকে উচ্চ-হারের চার্জ/স্রাবের জন্য আদর্শ করে তোলে।

অসুবিধা

LTO-এর কিছু অসুবিধাও আছে কারণ এর নির্দিষ্ট ক্ষমতা কম এবং ভোল্টেজ মালভূমি কম, যার ফলে শক্তির ঘনত্ব কম। এর ন্যানোস্ট্রাকচার্ড ফর্মটি অত্যন্ত হাইগ্রোস্কোপিক, যার ফলে তীব্র গ্যাস উৎপাদন এবং উচ্চ-তাপমাত্রার চক্রাকারে চলাচলের অভাব দেখা দেয়। উপাদান তৈরির প্রক্রিয়া জটিল এবং ব্যয়বহুল। ফলস্বরূপ, LTO কোষের খরচ সমতুল্য-শক্তি LFP-এর তুলনায় তিন গুণেরও বেশি (লিথিয়াম আয়রন ফসফেট) কোষ।

উপকরণের প্রয়োগ

LTO-এর সুবিধা এবং অসুবিধা উভয়ই অত্যন্ত স্পষ্ট, কর্মক্ষমতা বৈশিষ্ট্যগুলি বেশ চরম। অতএব, এটি নির্দিষ্ট বিশেষ ক্ষেত্রগুলিতে সর্বোত্তমভাবে প্রয়োগ করা হয় যেখানে এর শক্তিগুলি সম্পূর্ণরূপে ব্যবহার করা যেতে পারে। বর্তমানে, LTO ব্যাটারিগুলি মূলত শহুরে বিশুদ্ধ বৈদ্যুতিক BRT বাস, বৈদ্যুতিক হাইব্রিড বাস এবং পাওয়ার গ্রিড ফ্রিকোয়েন্সি নিয়ন্ত্রণ এবং পিক-শেভিং পরিষেবাগুলিতে ব্যবহৃত হয়।

সিলিকা-ভিত্তিক উপাদান

সিলিকনকে সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিশীল লিথিয়াম ব্যাটারি অ্যানোড উপকরণগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচনা করা হয়, যার তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ক্ষমতা 4200 mAh/g পর্যন্ত - গ্রাফাইটের চেয়ে 10 গুণ বেশি। এর লিথিয়াম সন্নিবেশ সম্ভাবনা কার্বনের চেয়ে বেশি, যা লিথিয়াম প্রলেপের ঝুঁকি হ্রাস করে এবং সুরক্ষা উন্নত করে। বর্তমান গবেষণা দুটি প্রধান দিকের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে: ন্যানো-সিলিকন কার্বন কম্পোজিট এবং সিলিকন অক্সাইড (SiOx) অ্যানোড উপকরণ।

আবেদনের চ্যালেঞ্জ:

• লিথিয়েশন/ডিলিথিয়েশনের সময় বিশাল আয়তনের প্রসারণ এবং সংকোচনের ফলে কণার গুঁড়িয়ে যাওয়া এবং ইলেকট্রোডের কাঠামোর ক্ষতি হয়, যার ফলে তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতা ব্যর্থতা দেখা দেয়।
• আয়তনের পরিবর্তনের কারণে ক্রমাগত SEI ফিল্ম ভাঙা এবং সংস্কার করা ইলেক্ট্রোলাইট এবং বিপরীতমুখী লিথিয়াম গ্রহণ করে, ক্ষমতার বিবর্ণতা ত্বরান্বিত করে এবং চার্জ/স্রাবের দক্ষতা মারাত্মকভাবে হ্রাস করে।

এই সমস্যাগুলি সমাধানের জন্য, গবেষকরা সিলিকন অ্যানোডের কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য সক্রিয়ভাবে নতুন পদ্ধতিগুলি অন্বেষণ করছেন। মূলধারার পদ্ধতি হল গ্রাফাইটকে বেস উপাদান হিসাবে ব্যবহার করা এবং ন্যানো-সিলিকন বা SiOx এর ভর দ্বারা 5%–10% যোগ করা। এরপর আয়তনের পরিবর্তন দমন করতে এবং সাইক্লিং স্থিতিশীলতা বাড়াতে এগুলিকে কার্বন দিয়ে প্রলেপ দেওয়া হয়।

উপসংহার

এই গবেষণাপত্রে বিভিন্ন লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি অ্যানোড উপকরণের কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য এবং কার্যকরী বৈশিষ্ট্যগুলির সংক্ষিপ্তসার তুলে ধরা হয়েছে। এটি লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ব্যবহৃত বিভিন্ন অ্যানোড উপকরণের উপর সাম্প্রতিক গবেষণার অগ্রগতি পর্যালোচনা করে। ক্রমাগত উন্নতি এবং পরিবর্তনের সাথে সাথে, সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণগুলি পরবর্তী প্রজন্মের সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিশীল অ্যানোড হিসাবে আবির্ভূত হয়েছে। তবে, তাদের অন্তর্নিহিত বৃহৎ আয়তনের প্রসারণ এবং দুর্বল চক্র কর্মক্ষমতা বৃহৎ আকারের প্রয়োগকে বাধাগ্রস্ত করে।
অনেক সাম্প্রতিক পরিবর্তন পদ্ধতি জটিল প্রক্রিয়া এবং উচ্চ খরচের মতো চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়। এর জন্য মৌলিক নীতিগুলির গভীর জ্ঞান এবং যৌগিক ন্যানো-সিলিকন উপকরণ তৈরির জন্য সহজ, দক্ষ পদ্ধতির বিকাশ প্রয়োজন। লক্ষ্য হল কম প্রসারণ, উচ্চ প্রাথমিক দক্ষতা, উচ্চ হারের ক্ষমতা এবং সুরক্ষা সহ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি তৈরি করা - যা সিলিকন অ্যানোডগুলিকে গ্রাফাইট প্রতিস্থাপনের পথ তৈরি করবে এবং বৈদ্যুতিক যানবাহনের প্রয়োগে অগ্রগতি অর্জন করবে।

এপিক পাউডার

এপিক পাউডার, আল্ট্রাফাইন পাউডার শিল্পে ২০+ বছরের কাজের অভিজ্ঞতা। আল্ট্রাফাইন পাউডারের ক্রাশিং, গ্রাইন্ডিং, শ্রেণীবিভাগ এবং পরিবর্তন প্রক্রিয়ার উপর মনোযোগ দিয়ে আল্ট্রাফাইন পাউডারের ভবিষ্যত উন্নয়নে সক্রিয়ভাবে প্রচার করুন। বিনামূল্যে পরামর্শ এবং কাস্টমাইজড সমাধানের জন্য আমাদের সাথে যোগাযোগ করুন! আমাদের বিশেষজ্ঞ দল আপনার পাউডার প্রক্রিয়াকরণের মূল্য সর্বাধিক করার জন্য উচ্চমানের পণ্য এবং পরিষেবা প্রদানের জন্য নিবেদিতপ্রাণ। এপিক পাউডার—আপনার বিশ্বস্ত পাউডার প্রক্রিয়াকরণ বিশেষজ্ঞ!