অ্যালোয়-টাইপ অ্যানোড উপাদান

ভবিষ্যতের নকশালিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিবিশুদ্ধ বৈদ্যুতিক যানবাহন, হাইব্রিড বৈদ্যুতিক গাড়ির প্লাগ-, এবং স্থির শক্তি সঞ্চয় ব্যবস্থার মতো উচ্চ-শক্তি-ভোগকারী ডিভাইসের চাহিদা মেটাতে সক্ষম হতে হবে৷ উন্নয়নের অধীনে অভিনব অ্যানোড উপকরণগুলির জন্য, ক্ষমতা হল মূল কর্মক্ষমতা সূচকগুলির মধ্যে একটি। বিভিন্ন প্রতিক্রিয়া প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে, উচ্চ তাত্ত্বিক ক্ষমতা সহ কিছু প্রার্থীর উপাদানের মধ্যে রয়েছে সিলিকন (Si), জার্মেনিয়াম (Ge), সিলিকন মনোক্সাইড (SiO), টিন (Sn), এবং এর অক্সাইড (SnOz), যার সাধারণ ক্ষমতা 783 mA·g (SnOz এর জন্য) থেকে 42 এর জন্য সিলিকন। যদিও এই খাদ উপকরণগুলি ঐতিহ্যগত গ্রাফাইট (372 mA·bg) এবং লিথিয়াম টাইটানেট (LTO, 175 mA·Ng) এর তুলনায় উচ্চতর নির্দিষ্ট ক্ষমতার সুবিধা প্রদর্শন করে, তবে চার্জ এবং স্রাবের সময় তাদের আয়তনের পরিবর্তন এবং প্রাথমিক অপরিবর্তনীয় ক্ষমতা হ্রাস তাদের জীবনকাল সীমাবদ্ধ করে। এই সমস্যাগুলি কাটিয়ে উঠতে, গবেষকরা বিভিন্ন কৌশলগুলি অন্বেষণ করেছেন, যেমন ন্যানোস্কেলে কণার আকার হ্রাস করা এবং সক্রিয় বা নিষ্ক্রিয় ধাতব লিথিয়াম উপাদান ধারণকারী যৌগিক উপাদান সিস্টেম তৈরি করার চেষ্টা করা। এই পদ্ধতিগুলির মধ্যে, একটি পরিবাহী বাফার সাবস্ট্রেট তৈরি করতে অ্যালয় উপকরণগুলির সাথে সক্রিয় লিথিয়াম সোনার সংমিশ্রণ চক্রের কর্মক্ষমতা উন্নত করার সম্ভাবনা দেখিয়েছে। তদ্ব্যতীত, ন্যানোস্ট্রাকচারের বিভিন্ন রূপচর্চা, যেমন ন্যানোয়ার বা ন্যানোটিউব, ব্যবহার করা আদর্শ অ্যানোড উপাদানগুলি অর্জনের জন্য একটি কার্যকর পদ্ধতি হিসাবে প্রমাণিত হয়েছে যা উচ্চ ক্ষমতা, ভাল হারের কার্যকারিতা এবং দীর্ঘ চক্র জীবনকে একত্রিত করে।

Si--সিলিকন-ভিত্তিক অ্যানোড উপাদান

সিলিকন-ভিত্তিক অ্যানোড উপাদানগুলি মূলত বিশুদ্ধ সিলিকন, সিলিকন অক্সাইড এবং সিলিকন/কার্বন কম্পোজিট দ্বারা গঠিত। তাদের উচ্চ তাত্ত্বিক ক্ষমতা, পরিবেশগত বন্ধুত্ব এবং প্রচুর প্রাকৃতিক সংরক্ষণের কারণে, তারা ব্যাপকভাবে পরবর্তী-প্রজন্মের উচ্চ-শক্তি-ঘনত্বের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি অ্যানোডগুলির জন্য আদর্শ পছন্দ হিসাবে বিবেচিত হয়। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ন্যানোস্কেল সিলিকন প্রয়োগের ধারণার প্রস্তাবকারী বিশ্বের প্রথম চীনা বিজ্ঞানীরা। চীনের প্রচুর সিলিকন সংস্থান এবং বিশ্বের-প্রধান সিলিকনের উৎপাদন ক্ষমতা, সিলিকন{10}}ভিত্তিক অ্যানোড সামগ্রীর উপর গবেষণা ও উন্নয়ন প্রচেষ্টা বৃদ্ধি করা এবং লিথিয়াম{11}}আয়ন ব্যাটারিতে তাদের প্রয়োগ ভবিষ্যতের উচ্চ ব্যাটারের{12}{13}} মূল প্রযুক্তিগুলি আয়ত্ত করার জন্য অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ।

প্রথাগত গ্রাফাইট অ্যানোড পদার্থের তুলনায়, সিলিকন একটি উচ্চ তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ক্ষমতা (4211 mA·h/g) এবং তুলনামূলকভাবে কম অপসারণ ক্ষমতা (0.5V) প্রদর্শন করে। উল্লেখযোগ্যভাবে, সিলিকনের অপারেটিং ভোল্টেজ গ্রাফাইটের তুলনায় সামান্য বেশি। চিত্র 5-9 একটি সিলিকন স্ফটিকের মধ্যে নির্দিষ্ট পারমাণবিক বিন্যাসকে চিত্রিত করে। চার্জ করার সময়, অ্যানোড হিসাবে সিলিকন ব্যবহার করে পৃষ্ঠের লিথিয়াম প্রলেপ কমাতে পারে, যার ফলে ব্যাটারির নিরাপত্তা উন্নত হয়। অধিকন্তু, সিলিকন প্রচুর এবং সস্তা। যাইহোক, লিথিয়াম{11}}আয়ন ব্যাটারি অ্যানোডগুলিতে সিলিকন প্রয়োগ করা কিছু চ্যালেঞ্জও উপস্থাপন করে। একটি অর্ধপরিবাহী উপাদান হিসাবে, সিলিকন দুর্বল পরিবাহিতা আছে. একাধিক চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের পরে, লিথিয়াম-আয়ন সন্নিবেশ এবং মুক্তির কারণে সৃষ্ট উল্লেখযোগ্য ভলিউম পরিবর্তনগুলি উপাদান ভাঙার কারণ হতে পারে, যা কাঠামোগত স্থিতিশীলতাকে প্রভাবিত করে এবং সম্ভাব্যভাবে বর্তমান সংগ্রাহক থেকে সক্রিয় উপাদানের পৃথকীকরণ ঘটায়, ব্যাটারির চক্রের জীবনকে মারাত্মকভাবে প্রভাবিত করে৷ অধিকন্তু, এই আয়তনের প্রসারণ সিলিকন পৃষ্ঠে একটি স্থিতিশীল এবং কার্যকরী কঠিন-স্টেট ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেস (SED) ফিল্ম গঠনে বাধা দেয়। কার্বন ম্যাট্রিক্সের মধ্যে বিশুদ্ধ সিলিকন বা এর যৌগগুলিকে অভিন্নভাবে ছড়িয়ে দেওয়া এই সমস্যাগুলিকে কিছুটা উপশম করতে পারে: একদিকে, এটি যৌগিক উপাদানের সামগ্রিক বৈদ্যুতিন পরিবাহিতাকে উন্নত করে; অন্যদিকে, কার্বনের উপস্থিতি সিলিকন ভলিউম পরিবর্তনের কারণে সৃষ্ট চাপ উপশম করতে সাহায্য করে, ইলেক্ট্রোড কাঠামোর ক্ষতি হ্রাস করে; একই সাথে, কার্বন SEI ফিল্মের স্থিতিশীল গঠনকে উন্নীত করতে পারে। তাই, সিলিকন এবং কার্বনের সুবিধার সমন্বয়ে যৌগিক উপাদানগুলিকে পরবর্তী-প্রজন্মের উচ্চ-শক্তি-ঘনত্বের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য আদর্শ অ্যানোড প্রার্থীদের মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচনা করা হয়।

সিও

সিলিকন ছাড়াও, সিলিকন মনোক্সাইড (SiO) কে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য একটি ক্যান্ডিডেট অ্যানোড উপাদান হিসাবে বিবেচনা করা হয় কারণ এর তাত্ত্বিক ক্ষমতা 1600 mA·h/g এর বেশি। অধিকন্তু, লিথিয়াম-অক্সিজেন সমন্বয় বোঝায় ছোট আয়তনের পরিবর্তন এবং চার্জ এবং স্রাবের সময় কম সক্রিয়করণ শক্তি। এই প্রক্রিয়া চলাকালীন সম্ভাব্য বৈদ্যুতিক রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলির মধ্যে রয়েছে SiO থেকে Si এবং LiO তে রূপান্তর, এর পরে Li এর সাথে একটি সিলিকন-লিথিয়াম সংকর ধাতু তৈরি করা; অথবা একটি সিলিকন-লিথিয়াম খাদ এবং LixSiO2 এর সরাসরি গঠন। এটি লক্ষণীয় যে বিশুদ্ধ কঠিন SiO যে কোনো তাপমাত্রায় তাপগতিগতভাবে অস্থির এবং তাই একটি অসামঞ্জস্য প্রতিক্রিয়ার মাধ্যমে নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে Si এবং SiO2 তে পচে যেতে পারে। সিলিকনের মতো, লিথিয়াম সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশনের সময় SiO উল্লেখযোগ্য আয়তনের প্রসারণ বা সংকোচনের মধ্য দিয়ে যায়। এছাড়াও, SiO-এর দুর্বল পরিবাহিতা রয়েছে, যার ফলে লিথিয়াম-আয়ন প্রবেশ এবং বের হওয়ার হার ধীর হয়। এই সমস্যাগুলি মোকাবেলা করার জন্য, বিপরীত ক্ষমতা বাড়াতে এবং চক্রের স্থিতিশীলতা উন্নত করতে, গবেষকরা বিভিন্ন কৌশল অন্বেষণ করেছেন। এর মধ্যে, কার্বন আবরণ প্রযুক্তি, SiO তে লিথিয়ামের ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল হ্রাস এবং SiO কণার আকার হ্রাস করা বিশেষভাবে কার্যকর পদ্ধতি হিসাবে বিবেচিত হয়। বিশেষ করে, যখন ছোট কণা এবং কার্বন আবরণের সাথে মিলিত হয়, তখন লিথিয়াম আয়নগুলির প্রসারণ পথ কার্যকরভাবে সংক্ষিপ্ত করা যেতে পারে, যখন ইলেক্ট্রন এবং আয়ন পরিবাহন দক্ষতা উন্নত করে, যার ফলে উপরে উল্লিখিত চ্যালেঞ্জগুলি অতিক্রম করা যায়।

জিই

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি অ্যানোড উপাদান গবেষণায় জার্মেনিয়াম উল্লেখযোগ্য মনোযোগ আকর্ষণ করেছে এর উচ্চ লিথিয়াম স্টোরেজ ক্ষমতা (1623 mA·h/g) Liz2Ge5 স্টোইচিওমেট্রিক অনুপাত এবং এর বিপরীত লিথিয়াম সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশন প্রক্রিয়ার কারণে। যদিও জার্মেনিয়াম সিলিকনের চেয়ে বেশি ব্যয়বহুল এবং এর ক্ষমতা কিছুটা কম, তবে এটির উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে, যেমন সিলিকনের চেয়ে 10,000 গুণ পরিবাহিতা এবং মাত্র 0.67 eV এর ব্যান্ড গ্যাপ। গবেষণায় দেখা গেছে যে জার্মেনিয়ামে লিথিয়াম আয়নের প্রসারণের হার 360 ডিগ্রিতে সিলিকনের চেয়ে 15 গুণ দ্রুত এবং ঘরের তাপমাত্রায় 400 গুণ দ্রুত। এই বৈশিষ্ট্যগুলি জার্মেনিয়ামকে চমৎকার উচ্চ-বর্তমান ডিসচার্জ কর্মক্ষমতা এবং উচ্চ চার্জ পরিবহন দক্ষতা দেয়। এই উচ্চ-পাওয়ার পারফরম্যান্স বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ যে অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য উচ্চ-পারফরম্যান্স পাওয়ার আউটপুট প্রয়োজন, যেমন বৈদ্যুতিক গাড়ি৷ যাইহোক, সিলিকনের মতো, জার্মেনিয়ামও 300% পর্যন্ত আয়তনের প্রসারণের সমস্যার মুখোমুখি হয়, যা লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিতে এর ব্যবহারিক প্রয়োগে বাধা হয়ে দাঁড়িয়েছে। ন্যানোস্ট্রাকচার ডিজাইন যেমন ন্যানো পার্টিকেল, ন্যানোয়ার বা ন্যানোটিউব ব্যবহার করে, ভলিউম পরিবর্তনের নেতিবাচক প্রভাব কার্যকরভাবে প্রশমিত করা যেতে পারে, যার ফলে কুলম্বিক দক্ষতা উন্নত হয়। এটা লক্ষণীয় যে কঠিন-স্টেট পাইরোলাইসিসের মতো সহজ পদ্ধতি ব্যবহার করে জার্মেনিয়াম ন্যানো পার্টিকেল-পরিবাহী সাবস্ট্রেট কম্পোজিটের প্রস্তুতি ইলেক্ট্রোডের ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সকে আরও অপ্টিমাইজ করতে পারে।

SnO2

টিন ডাই অক্সাইড (SnO2), প্রাথমিকভাবে ফুজিফিল্ম দ্বারা তৈরি করা, উচ্চ তাত্ত্বিক ক্ষমতা এবং কম অপারেটিং ভোল্টেজের কারণে লিথিয়াম- ব্যাটারির জন্য নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদান হিসেবে ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে (প্রায় 0.6 eV, LiLi-এর তুলনায়)। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল বিক্রিয়া প্রক্রিয়ায়, এটি প্রথমে একটি আংশিকভাবে অপরিবর্তনীয় পদক্ষেপের মধ্য দিয়ে যায়, যেখানে SnO2 ধাতব টিন (Sn) এবং লিথিয়াম অক্সাইড (LiO) এ হ্রাস পায়; পরবর্তীকালে, একটি বিপরীতমুখী পর্যায় ঘটে, যার মধ্যে টিন-লিথিয়াম সংকর ধাতুর গঠন এবং পচন জড়িত। তাত্ত্বিকভাবে, SnO2 এর প্রতিটি মোল 8.4 mol লিথিয়ামের সাথে বিক্রিয়া করতে পারে, যা 1491 mA·h/g এর তাত্ত্বিক ক্ষমতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ। যাইহোক, প্রারম্ভিক হ্রাস প্রতিক্রিয়ার কম বিপরীতযোগ্যতার কারণে, ব্যবহারিক প্রয়োগগুলিতে, শুধুমাত্র পরবর্তী সংকরকরণ/ডিলয়িং প্রক্রিয়া দ্বারা অবদান রাখা কার্যকর ক্ষমতা{11}}প্রায় 783 mA·h/g-সাধারণত বিবেচনা করা হয়, এবং এই মানটিকে S2 উপাদানের ব্যবহারিক তাত্ত্বিক ক্ষমতা হিসাবে ব্যবহার করা হয়। তদ্ব্যতীত, চার্জ{16}}স্রাব চক্রের সময়, এই উপাদানটি উল্লেখযোগ্য ভলিউম প্রসারণ (200% এর বেশি) এর মধ্য দিয়ে যায়, যার ফলে ক্ষমতা মারাত্মক ক্ষতি হয়। এই লক্ষ্যে, গবেষকরা SnO2 এর সাইক্লিং স্থিতিশীলতা উন্নত করতে এবং বিভিন্ন পদ্ধতির মাধ্যমে ভলিউম পরিবর্তনের কারণে অপরিবর্তনীয় ক্ষমতা হ্রাস কমাতে নিবেদিত।