এর চার্জিং প্রক্রিয়ায়লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদান লিথিয়াম আয়ন এবং ইলেকট্রন বহনে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে এবং শক্তি সঞ্চয় এবং মুক্তির জন্য অপরিহার্য। খরচের দৃষ্টিকোণ থেকে, এই উপকরণগুলি মোট ব্যাটারি উৎপাদন খরচের 5% থেকে 15% এবং লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি উৎপাদনের জন্য অপরিহার্য মূল কাঁচামালগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচিত হয়৷ ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের মতো, নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদান লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রযুক্তির উন্নতির প্রচারে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, উন্নত ব্যাটারি কর্মক্ষমতার জন্য ক্রমবর্ধমান চাহিদার সাথে-বিশেষত, উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, শক্তির ঘনত্ব, এবং আরও ভাল চক্র স্থিতিশীলতা এবং নিরাপত্তার জন্য-গবেষকরা নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের প্রতি খুব মনোযোগ দিয়েছেন, লিথিয়ামের মূল উপাদানগুলির মধ্যে একটি-
ব্যাটারি একটি আদর্শ নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের নিম্নলিখিত বৈশিষ্ট্য থাকা উচিত:
(1) লাইটওয়েট, নির্দিষ্ট ক্ষমতা অপ্টিমাইজ করতে যতটা সম্ভব লি মিটমাট করা।
(2) লিথিয়াম আয়ন সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশন প্রতিক্রিয়ার জন্য কম রেডক্স সম্ভাবনা, যা একটি উচ্চ ব্যাটারি আউটপুট ভোল্টেজ অর্জন করতে সহায়তা করে।
(3) ভাল ইলেকট্রনিক এবং আয়নিক পরিবাহিতা।
(4) ইলেক্ট্রোলাইট দ্রাবকগুলিতে অদ্রবণীয় এবং লিথিয়াম লবণের সাথে বিক্রিয়া করে না। (5) চার্জিং এবং ডিসচার্জ করার পরে চমৎকার রাসায়নিক স্থিতিশীলতা, উচ্চ নিরাপত্তা কর্মক্ষমতা এবং সাইকেল লাইফ এবং কম স্ব- স্রাবের হার।
(6) সস্তা, প্রচুর সম্পদ, এবং পরিবেশ বান্ধব।
অ্যানোড উপাদানগুলিকে তাদের রাসায়নিক গঠনের উপর ভিত্তি করে দুটি প্রধান বিভাগে বিভক্ত করা যেতে পারে: কার্বন-ভিত্তিক উপাদান এবং অ{1}}কার্বন-ভিত্তিক উপাদান। কার্বন-ভিত্তিক উপাদানগুলিকে আরও গ্রাফিটিক কার্বন পদার্থ এবং নিরাকার কার্বন পদার্থে বিভক্ত করা যেতে পারে। অ-কার্বন-ভিত্তিক উপাদানের মধ্যে রয়েছে সিলিকন-ভিত্তিক, টাইটানিয়াম-ভিত্তিক, এবং বিভিন্ন ধাতব অক্সাইড। বর্তমানে, বাজারে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত অ্যানোড উপাদানগুলির মধ্যে প্রধানত তিন প্রকার: কার্বন{11}}ভিত্তিক উপাদান, লিথিয়াম টাইটানেট (LiTisOi2), এবং সিলিকন যুক্ত কার্বন যৌগিক উপাদান। কার্বন{14}}ভিত্তিক উপাদানগুলিকে আরও গ্রাফাইট (প্রাকৃতিক এবং কৃত্রিম গ্রাফাইট), নরম কার্বন এবং শক্ত কার্বনে ভাগ করা যায়। এই বিভাগগুলির মধ্যে, কৃত্রিম গ্রাফাইট সবচেয়ে বেশি বাজারের শেয়ার ধারণ করে।
ইন্টারক্যালেটেড অ্যানোড উপকরণ
কার্বন উপকরণ
লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির বিকাশে, ধাতব লিথিয়ামকে প্রতিস্থাপন করার জন্য কার্বন-ভিত্তিক উপাদান ব্যবহার করার উদ্ভাবন এই প্রযুক্তিতে একটি বড় অগ্রগতি চিহ্নিত করে৷ আজ অবধি, অন্য কোন ধরণের অ্যানোড উপাদান এর খরচ-কার্যকারিতা এবং কার্যকারিতার সাথে মেলে না; তাই, এটি প্রত্যাশিত যে কার্বন-ভিত্তিক উপাদানগুলি একটি উল্লেখযোগ্য সময়ের জন্য বড় আকারের বাণিজ্যিক অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য প্রাথমিক পছন্দ হিসেবে থাকবে৷ গ্রাফিটাইজেশনের মাত্রার উপর ভিত্তি করে, অ্যানোড হিসাবে ব্যবহৃত কার্বন ভিত্তিক উপাদানগুলিকে তিনটি বিভাগে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে: গ্রাফাইট, নরম কার্বন এবং হার্ড কার্বন। উচ্চ-তাপমাত্রা প্রক্রিয়াকরণের সময় নন-গ্রাফাইট কার্বন উপাদানগুলি গ্রাফাইটে রূপান্তরিত হওয়ার প্রবণতা প্রদর্শন করে; যাইহোক, কিছু পদার্থ এই রূপান্তরের জন্য বেশি প্রবণ এবং নরম কার্বন হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা হয়; যখন প্রক্রিয়াটি সম্পূর্ণ করা কঠিন তাদের বলা হয় হার্ড কার্বন। সাধারণত, কয়লা আলকাতরা বা পেট্রোলিয়াম পিচের মতো কাঁচামাল থেকে নরম কার্বন পাওয়া যেতে পারে; বিপরীতে, হার্ড কার্বন বেশিরভাগই ফেনোলিক রজন বা সুক্রোজের মতো উপাদান থেকে সংশ্লেষিত হয়। বর্তমানে, নরম কার্বনের ক্ষেত্রে সবচেয়ে অধ্যয়ন করা বিষয়গুলির মধ্যে একটি হল মেসোফেজ কার্বন মাইক্রোস্ফিয়ার। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোড হিসেবে ব্যবহার করা হলে গ্রাফিটিক এবং নন-গ্রাফিটিক কার্বন উপাদানেরই নিজস্ব সুবিধা এবং অসুবিধা রয়েছে। এর উপর ভিত্তি করে, গবেষকরা প্রায়শই তাদের কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য এই কার্বন উপাদানগুলির পৃষ্ঠকে সংশোধন ও পরিবর্তন করতে বিভিন্ন উপ-বিভাগ ব্যবহার করেন।
গ্রাফাইট, একটি স্তরযুক্ত উপাদান হিসাবে (চিত্র 5-8), একটি অভ্যন্তরীণ কাঠামো রয়েছে যা একটি ষড়ভুজ কাঠামোর সমন্বয়ে গঠিত পরমাণুর একটি sp2 হাইব্রিড অবস্থায় সাজানো, দুটি মাত্রায় প্রসারিত। প্রতিটি স্তরের মধ্যে, কার্বন পরমাণু 0.142 nm কার্বন-কার্বন পরমাণুর দূরত্ব এবং 345 kJ/mol এর একটি বন্ধন শক্তি সহ একটি শক্তিশালী ষড়ভুজাকার গ্রিড গঠন তৈরি করে, অত্যন্ত শক্তিশালী স্থিতিশীলতা প্রদর্শন করে। বিপরীতে, বিভিন্ন স্তরের মধ্যে কার্বন পরমাণু দুর্বল ভ্যান ডের ওয়ালস বাহিনী দ্বারা সংযুক্ত থাকে, যার মিথস্ক্রিয়া শক্তি মাত্র 16.7 kJ/mol, 0.3354 nm একটি পরিমাপিত আন্তঃপ্লানার ব্যবধানের সাথে সম্পর্কিত। লিথিয়াম আয়নগুলি গ্রাফাইটের ছয়টি কার্বন স্তরের মধ্যে বিপরীতমুখী সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশনের মধ্য দিয়ে যেতে পারে, লিথিয়াম সংরক্ষণের জন্য LiC6 যৌগ গঠন করে। এই প্রক্রিয়া চলাকালীন, ইন্টারলেয়ার ব্যবধান উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয়; LiC6-এর জন্য, এই মান 0.37 nm হয়ে যায়, এইভাবে 372 mA·h/g একটি তাত্ত্বিক সর্বোচ্চ নির্দিষ্ট ক্ষমতা অর্জন করে। অধিকন্তু, গ্রাফাইটের চমৎকার পরিবাহিতা উপাদানের মধ্যে দ্রুত ইলেকট্রন স্থানান্তরকে সহজতর করে। যাইহোক, যখন নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদান হিসাবে ব্যবহার করা হয়, তখন গ্রাফাইট কিছু ত্রুটিও উপস্থাপন করে: এর তুলনামূলকভাবে কম লিথিয়াম সন্নিবেশ/নিষ্কাশন ভোল্টেজ মালভূমি চার্জিং বা ডিসচার্জের সময় লিথিয়াম ডেনড্রাইটের বৃদ্ধি ঘটাতে পারে। একবার এই ডেনড্রাইটগুলি ব্যাটারি বিভাজকের মধ্যে প্রবেশ করলে, তারা অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিট ঘটাতে পারে, সম্ভাব্যভাবে আগুন বা এমনকি বিস্ফোরণ ঘটাতে পারে, ব্যাটারির নিরাপত্তাকে হুমকির মুখে ফেলে।
চিত্র 5-8 গ্রাফাইট স্তরযুক্ত কাঠামোর পরিকল্পিত চিত্র
গ্রাফাইট প্রধানত দুটি বিভাগে বিভক্ত: প্রাকৃতিক গ্রাফাইট এবং কৃত্রিম গ্রাফাইট। প্রাকৃতিক গ্রাফাইট, সংক্ষেপে এনজি (প্রাকৃতিক গ্রাফাইট), একটি উচ্চ-কার্বন উপাদানকে বোঝায় যা প্রকৃতি থেকে নিষ্কাশিত হয় এবং সহজ প্রক্রিয়াকরণের মাধ্যমে প্রাপ্ত হয়। এটি স্তরযুক্ত স্ফটিক কাঠামোর দুটি ভিন্ন রূপের অধিকারী: ষড়ভুজ এবং রম্বিক। এই উপাদানটি শুধুমাত্র রিজার্ভের মধ্যে প্রচুর নয়, তবে খরচ কম এবং পরিবেশগতভাবে বন্ধুত্বপূর্ণ। যাইহোক, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, পৃষ্ঠের কার্যকলাপের অসম বন্টন এবং প্রাকৃতিক গ্রাফাইট পাউডার কণার বড় দানাগুলির কারণে, চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের সময় এর পৃষ্ঠের স্ফটিক গঠন সহজেই ক্ষতিগ্রস্ত হয়, যা অসম SEI ফিল্ম কভারেজের দিকে পরিচালিত করে এবং ব্যাটারির প্রাথমিক কুলম্বিক রেট এবং কর্মক্ষমতা প্রভাবিত করে। এই চ্যালেঞ্জগুলি কাটিয়ে উঠতে, গবেষকরা প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করার জন্য বিভিন্ন কৌশল তৈরি করেছেন, যেমন স্ফেরোইডাইজেশন, অক্সিডেশন সারফেস ট্রিটমেন্ট, ফ্লোরিনেশন এবং সারফেস কার্বন লেপ, এর পৃষ্ঠের বৈশিষ্ট্য এবং মাইক্রোস্ট্রাকচারকে অপ্টিমাইজ করার লক্ষ্যে।
কৃত্রিম গ্রাফাইট সহজে গ্রাফিটাইজড কার্বন পদার্থের উচ্চ-তাপমাত্রার গ্রাফিটাইজেশন দ্বারা উত্পাদিত হতে পারে। এই ধরনের উপাদান লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে অ্যানোড উপাদান হিসেবে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। প্রাকৃতিক গ্রাফাইটের তুলনায়, কৃত্রিম গ্রাফাইট দীর্ঘ চক্র জীবন, উচ্চ-তাপমাত্রা সঞ্চয় ক্ষমতা এবং উচ্চ-হারের কার্যক্ষমতার ক্ষেত্রে উল্লেখযোগ্য সুবিধা প্রদর্শন করে, যা এটিকে চীনে নতুন শক্তির যানবাহনে ব্যবহৃত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য পছন্দের অ্যানোড উপাদানগুলির মধ্যে একটি করে তোলে৷ এর বিশাল নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং অপেক্ষাকৃত কম খরচের কারণে, কৃত্রিম গ্রাফাইট পাওয়ার ব্যাটারি এবং মধ্য-থেকে-উচ্চ-ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স পণ্যগুলিতেও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। পরিসংখ্যান দেখায় যে 2021 সালে, কৃত্রিম গ্রাফাইট সমস্ত অ্যানোড উপাদানের চালানের 84% জন্য দায়ী।
নন-গ্রাফাইট কার্বন পদার্থগুলিকে প্রধানত দুটি ভাগে ভাগ করা হয়: হার্ড কার্বন এবং নরম কার্বন। হার্ড কার্বন বলতে এক ধরনের কার্বন উপাদানকে বোঝায় যা অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রায় (2800 ডিগ্রির উপরে) গ্রাফাইট গঠনে রূপান্তর করা কঠিন। এই উপকরণ সাধারণত নির্দিষ্ট পলিমার pyrolyzing দ্বারা প্রাপ্ত করা হয়. বিশেষত, হার্ড কার্বনের সাধারণ উৎসের মধ্যে রয়েছে বিভিন্ন রজন কার্বন (যেমন ফেনোলিক রজন, পলিফুরফুরিল অ্যালকোহল রজন পিএফএ-সি, এবং ইপোক্সি রজন), নির্দিষ্ট পলিমারের পাইরোলাইসিস দ্বারা গঠিত কার্বন (যেমন পলিভিনাইল অ্যালকোহল (পিভিএ), পলিভিনাইল অ্যালকোহল (পলিভিনাইল অ্যালকোহল (পিভিএ), পলিভিনাইল অ্যালকোহল রজন এবং কার্বন (পিএফএ)। কালো পণ্য যেমন অ্যাসিটিলিন কালো)। প্রস্তুতি প্রক্রিয়া চলাকালীন, হার্ড কার্বনের অভ্যন্তরে প্রচুর পরিমাণে জালির ত্রুটি তৈরি হয়, যা লিথিয়াম আয়নগুলিকে কেবল কার্বন স্তরগুলির মধ্যে আন্তঃসংযোগ করতে দেয় না বরং এই ত্রুটিযুক্ত অঞ্চলগুলিকে পূরণ করতে দেয়, এইভাবে এই উপাদান থেকে তৈরি অ্যানোডগুলিকে একটি উচ্চ নির্দিষ্ট ক্ষমতা (350 থেকে 500 mA·b/g এর মধ্যে) দেয়, যা সামগ্রিকভাবে লিথিয়ামের জন্য অত্যন্ত উপকারী{9} ধারণক্ষমতার জন্য। ব্যাটারি যাইহোক, উপরে উল্লিখিত জালির ত্রুটিগুলিও কম প্রাথমিক কুলম্বিক দক্ষতা এবং দুর্বল চক্র স্থায়িত্বের দিকে পরিচালিত করে যখন হার্ড কার্বন একটি অ্যানোড উপাদান হিসাবে ব্যবহৃত হয়। আজ পর্যন্ত, এই সমস্যাগুলির কারণে, হার্ড কার্বন বাণিজ্যিকভাবে উত্পাদিত লিথিয়াম{12}}আয়ন ব্যাটারিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় নি, এবং এটিকে বড় আকারে ব্যবহার করার আগে এখনও কিছু বাধা রয়েছে।
নরম কার্বন বলতে নিরাকার কার্বন পদার্থকে বোঝায় যেগুলি উচ্চ-তাপমাত্রা অবস্থায় (২৮০০ ডিগ্রির উপরে) সহজেই গ্রাফাইটাইজ করে। এই উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে পিচ, সুই কোক, পেট্রোলিয়াম কোক এবং কার্বন ফাইবার। নরম কার্বনে গ্রাফিটাইজেশনের নিম্ন স্তরের কারণে, এর গঠনে অসংখ্য ত্রুটি রয়েছে, যা এটিকে বিপরীতভাবে আরও লিথিয়াম আয়নকে মিটমাট করার অনুমতি দেয়; একই সাথে, বৃহত্তর ইন্টারলেয়ার ব্যবধান ইলেক্ট্রোলাইট অনুপ্রবেশ প্রচার করে। অতএব, এই বৈশিষ্ট্যগুলির উপর ভিত্তি করে, নরম কার্বন পদার্থগুলি প্রাথমিক স্রাবের সময় উচ্চ ক্ষমতা প্রদর্শন করে। যাইহোক, সুনির্দিষ্টভাবে এর কাঠামোগত অস্থিরতার কারণে, এর অপরিবর্তনীয় ক্ষমতাও তুলনামূলকভাবে বেশি। তদুপরি, নরম কার্বনের অভ্যন্তরীণ কাঠামোর অনিয়ম লিথিয়াম-আয়ন সক্রিয় সাইটগুলির বিভিন্ন শক্তি বিতরণের দিকে পরিচালিত করে, যার ফলে চার্জ এবং স্রাবের সময় একটি সংজ্ঞায়িত ভোল্টেজ মালভূমির অভাব হয়, যা এর ব্যবহারিক প্রয়োগগুলিকে সীমিত করে।
টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড
টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড (TiO2) লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য একটি নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদান হিসাবে দুর্দান্ত সম্ভাবনা দেখায়, শুধুমাত্র বড়-উৎপাদন এবং কম খরচের জন্য এর সম্ভাব্যতার কারণে নয়, বরং এটি 1.5V (Li/Li-এর সাপেক্ষে) একটি অপারেটিং ভোল্টেজে চমৎকার নিরাপত্তা এবং স্থিতিশীলতা প্রদর্শন করে। উপরন্তু, TiO2 উল্লেখযোগ্য বৈশিষ্ট্যগুলির একটি সিরিজের অধিকারী: উচ্চ ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল কার্যকলাপ, শক্তিশালী অক্সিডাইজিং শক্তি, ভাল রাসায়নিক স্থিতিশীলতা, প্রচুর প্রাকৃতিক সম্পদ এবং বিভিন্ন স্ফটিক কাঠামো।
এই সুবিধাগুলো সম্মিলিতভাবে TiO2 কে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য (বিশেষ করে হাইব্রিড বৈদ্যুতিক গাড়ির ক্ষেত্রে) জন্য আদর্শ নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানের একটি পছন্দ করে।
তাত্ত্বিকভাবে, TiO2 এর প্রতিটি একক ভর একটি লিথিয়াম আয়ন সংরক্ষণ করতে পারে, যা 330 mA·h/g এর ক্ষমতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, যা LiTiO2 এর তাত্ত্বিক ক্ষমতার প্রায় দ্বিগুণ। যাইহোক, অনুশীলনে, এটি পাওয়া গেছে যে এই তাত্ত্বিক সর্বাধিক লিথিয়াম স্টোরেজ ক্ষমতা অর্জন করা বেশ কঠিন। টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইডে লিথিয়াম আয়ন সন্নিবেশ এবং নিষ্কাশনের দক্ষতাকে অনেক কারণ প্রভাবিত করে, যার মধ্যে উপাদানের স্ফটিকতা, কণার আকার, অভ্যন্তরীণ কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য এবং নির্দিষ্ট পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল অন্তর্ভুক্ত কিন্তু সীমাবদ্ধ নয়। এটি লক্ষণীয় যে TiO2 বিভিন্ন স্ফটিক পর্যায়ে বিদ্যমান, সবচেয়ে সুপরিচিত-টেট্রাগোনাল ক্রিস্টাল সিস্টেমে রুটাইল এবং অ্যানাটেজ প্রকার এবং অর্থরহম্বিক স্ফটিক সিস্টেমে ব্রুকাইট প্রকার।