বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং শক্তি সঞ্চয়কারী ডিভাইসগুলির দ্রুত জনপ্রিয়তার সাথে, বাজারে পাওয়ার ব্যাটারির চাহিদা কেবল শক্তির ঘনত্ব এবং সুরক্ষা নয়, দ্রুত চার্জ করার ক্ষমতা এবং দীর্ঘ জীবনকাল সম্পর্কেও। প্রথাগত তরল ইলেক্ট্রোলাইট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলি প্রায়শই দ্রুত চার্জিংয়ের সময় নিরাপত্তার ঝুঁকি এবং বর্ধিত ক্ষমতা হ্রাসের সম্মুখীন হয়, যখন সমস্ত সলিড স্টেট ব্যাটারি (ASSBs) সলিড-স্টেট ইলেক্ট্রোলাইটের নিরাপত্তা এবং তাপীয় স্থিতিশীলতার সম্ভাব্য সুবিধার কারণে উচ্চ শিল্পের মনোযোগ আকর্ষণ করে।
যাইহোক, উচ্চ শক্তি ঘনত্বের এএসএসবির দ্রুত চার্জ অর্জন করা কোনও সহজ কাজ নয়। প্রচলিত সলিড ইলেক্ট্রোলাইটগুলি সীমিত আয়ন প্রসারণ, বর্ধিত ইলেক্ট্রোড ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেস প্রতিবন্ধকতা এবং উচ্চ-গতির চার্জিংয়ের সময় উচ্চ হারের অবস্থার অধীনে যৌগিক ইলেক্ট্রোডগুলির কাঠামোগত অবক্ষয়ের মুখোমুখি হয়, যা ক্ষমতা অবক্ষয় এবং দুর্বল চক্র জীবনের দিকে পরিচালিত করে। পূর্ববর্তী গবেষণাগুলি আয়ন পরিবাহিতা উন্নতি, ইন্টারফেসগুলি অনুকূলকরণ এবং ইলেক্ট্রোডগুলি ডিজাইনের দিকে মনোনিবেশ করেছে। তবে, দীর্ঘ চক্রের জীবন বজায় রেখে ব্যবহারিক স্কেল এবং উচ্চ আঞ্চলিক লোডিং ইলেক্ট্রোডগুলিতে দ্রুত চার্জ অর্জন করা একটি বড় চ্যালেঞ্জ হিসাবে রয়ে গেছে।
এই অধ্যয়নটি এনসিএম (লিনিক্সমনিওয়োজো 2) পজিটিভ ইলেক্ট্রোড এবং এলআই 6 পিএস 5 সিএল সলিড ইলেক্ট্রোলাইটের সংমিশ্রণ সিস্টেমকে কেন্দ্র করে। ফাইন ইলেক্ট্রোড ইঞ্জিনিয়ারিং এবং ইন্টারফেস অপ্টিমাইজেশনের মাধ্যমে, এটি হাজার হাজার চক্রের জন্য ব্যাটারির স্থায়িত্ব বজায় রেখে ঘন ইলেক্ট্রোড এবং উচ্চ লোড অবস্থার অধীনে চার্জিং উচ্চ-গতি (যেমন 15 এমএ/সেমি 2) অর্জনের চেষ্টা করে। অন্য কথায়, গবেষণা দলটি সমস্ত শক্ত রাষ্ট্রের ব্যাটারিগুলির জন্য একটি বিস্তৃত নকশা গাইডলাইন বিকাশ করা, উচ্চ শক্তি ঘনত্ব অনুসরণ করার সময় তাদের উচ্চ দক্ষতা এবং কম ক্ষতির সাথে দ্রুত চার্জ অর্জন করতে সক্ষম করে।
1. পরীক্ষামূলক নকশা এবং ইলেক্ট্রোড নির্মাণ
এই গবেষণায় NCM কে ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড সক্রিয় উপাদান (CAM), Li6PS5Cl (LPSC) কে কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট হিসাবে এবং পরিবাহী এবং বাঁধাইকারী এজেন্ট (যেমন CNF কার্বন ন্যানোফাইবার) এবং অন্যান্য উপাদানগুলির সাথে একত্রিত করা হয়েছে। মূল ধারণাটি হল একটি সম্পূর্ণ সলিড-স্টেট ব্যাটারি অ্যাসেম্বলি স্কিম তৈরি করা 3-ইলেকট্রোড ডিজাইনের জন্য ডিজাইনের মানদণ্ডের (i) থেকে (ix) সিরিজের মাধ্যমে। এই নকশা নীতি অন্তর্ভুক্ত:
উপযুক্ত কণার আকার এবং বিতরণ আয়ন পরিবহন চ্যানেল এবং ইলেক্ট্রন পরিবাহী পথগুলিকে আরও ইউনিফর্ম করে তোলে।
উচ্চ এলাকা ক্ষমতা এবং স্থিতিশীল ইন্টারফেস যোগাযোগ অর্জন করতে ইলেক্ট্রোড বেধ, ছিদ্র, এবং কম্প্যাকশন ঘনত্ব অপ্টিমাইজ করুন।
উচ্চ হারের চার্জিং অবস্থার অধীনে আয়ন বিস্তার উল্লেখযোগ্যভাবে বাধাগ্রস্ত হয় না তা নিশ্চিত করতে ইতিবাচক ইলেক্ট্রোডের মাইক্রোস্ট্রাকচার এবং কণা অনুপাত নিয়ন্ত্রণ করুন।
গবেষণা দল SEM, XRD, XPS, এবং FIB-SEM 3D পুনর্গঠনের মতো চরিত্রায়ন পদ্ধতির মাধ্যমে বিভিন্ন সাইক্লিং সময়ে ডিজাইন করা ইলেক্ট্রোডের কাঠামোগত স্থিতিশীলতা এবং ছিদ্র পরিবর্তনকে বৈধ করেছে।
2। দ্রুত চার্জিং পারফরম্যান্স পরীক্ষা
অধ্যয়নটি প্রথমে এনসিএম/এলপিএসসি ইলেক্ট্রোলাইট এবং এলআই ব্যবহার করে 30 ডিগ্রি নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড কনফিগারেশনে সমস্ত শক্ত রাষ্ট্রের ব্যাটারি ইলেক্ট্রোডে দ্রুত চার্জিং পরীক্ষা পরিচালনা করে। চার্জিং কারেন্ট ঘনত্ব ধীরে ধীরে 1 এমএ/সেমি 2 থেকে 15 এমএ/সেমি 2 (প্রায় 8 সি এর উচ্চ হারের চার্জের সমতুল্য) এ বৃদ্ধি পেয়েছে এবং একটি কম বর্তমান ঘনত্ব (যেমন 1 এমএ/সেমি 2) স্রাবের সময় ব্যবহার করা হয়েছিল ক্ষমতা ধরে রাখা এবং চক্রের জীবন পর্যবেক্ষণ করতে স্রাবের সময় ব্যবহার করা হয়েছিল উচ্চ হারের চার্জিং শর্ত।
ফলাফল দেখায় যে:
15 এমএ/সেমি 2 এর উচ্চ চার্জিং হারে, ব্যাটারিটি এখনও প্রায় 150/এমএএইচ/জি (এনএমসি সক্রিয় উপাদানের উপর ভিত্তি করে) উচ্চ ক্ষমতা অর্জন করতে পারে, 90%এরও বেশি কার্যকর ব্যবহারের হার সহ, এবং চার্জিং সময় হতে পারে প্রায় 8 মিনিটে সংক্ষিপ্ত করা হয়েছে। এর অর্থ হ'ল 10% এসওসি থেকে 80% এসওসি থেকে দ্রুত চার্জ করা 10 মিনিটের মধ্যে অর্জন করা যেতে পারে, দ্রুত চার্জিংয়ের জন্য বৈদ্যুতিক যানবাহনের শিল্পের প্রত্যাশার কাছে পৌঁছেছে।
ব্যাটারি টানা 3000 উচ্চ-গতির চার্জিং চক্রের পরে 81% ক্ষমতা ধরে রাখা বজায় রাখে, একটি কুলম্বিক দক্ষতা 99% এর কাছাকাছি, দুর্দান্ত দীর্ঘ চক্রের স্থিতিশীলতা প্রদর্শন করে।
এটি ইঙ্গিত দেয় যে যৌক্তিক মাইক্রোস্ট্রাকচার ডিজাইন এবং উপাদান সংমিশ্রণের মাধ্যমে, উচ্চ-গতির চার্জিং এবং দীর্ঘ জীবনকাল সহ ডিসচার্জিং এমনকি অপেক্ষাকৃত কম তাপমাত্রায় (30 ডিগ্রি) অর্জন করা যেতে পারে।
3। মাইক্রোস্কোপিক প্রক্রিয়া এবং উচ্চ হার চার্জ এবং স্রাবের কাঠামোগত বিবর্তন
এই ধরনের চমৎকার সাইক্লিং কর্মক্ষমতা বোঝার জন্য, গবেষকরা FIB-SEM ব্যবহার করে ক্রস-বিভাগীয় নমুনা প্রস্তুত করেছেন এবং 10 এবং 1000 চক্রের পরে 3D পুনর্গঠন বিশ্লেষণ পরিচালনা করেছেন। ফলস্বরূপ, এটি পাওয়া গেছে যে:
ইলেক্ট্রোডের প্রাথমিক পোরোসিটি প্রায় 3%, এবং 10 টি চক্রের পরে, পোরোসিটি সামান্য বৃদ্ধি পায় 3.6%এবং 1000 চক্রের পরে, এটি প্রায় 6.9%এ বৃদ্ধি পায়। যদিও পোরোসিটি বৃদ্ধি পেয়েছে, এটি এখনও একটি নিয়ন্ত্রণযোগ্য সীমার মধ্যে রয়েছে। এটি দেখা যায় যে উচ্চ হারের সাইক্লিংয়ে, ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড কণার মাইক্রোস্ট্রাকচার কিছু নির্দিষ্ট বিকৃতি এবং ছিদ্র বৃদ্ধি করে, তবে এটি এখনও গুরুতর বিচ্ছিন্নতা বা ইন্টারফেস ডিলিমিনেশনের দিকে পরিচালিত করে নি।
পৃষ্ঠের পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া স্তরগুলির বৃহত জমে কোনও স্পষ্ট চিহ্ন নেই। যদিও সমস্ত সলিড ইলেক্ট্রোলাইট এবং পজিটিভ ইলেক্ট্রোড কণার মধ্যে ইন্টারফেস স্ট্রেস এবং মাইক্রোক্র্যাকগুলি থাকতে পারে তবে উপযুক্ত কণা অনুপাত এবং টাইট প্যাকিং পদ্ধতির মাধ্যমে সাইক্লিংয়ের সাথে ইন্টারফেস প্রতিবন্ধকতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায় না।
এই কাঠামোগত বিবর্তন প্যাটার্নটি ইঙ্গিত দেয় যে অনুকূলিত সংমিশ্রিত ইলেক্ট্রোডগুলিতে, এমনকি উচ্চ হারের চার্জিং এবং ডিসচার্জিং কিছু নির্দিষ্ট মাইক্রো ছিদ্র সম্প্রসারণ এবং কাঠামোগত চাপ পরিবর্তনের কারণ হলেও সামগ্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক এখনও তুলনামূলকভাবে স্থিতিশীল।
4 .. উচ্চ লোড এবং উচ্চ গতির শর্তগুলির গভীরতার অন্বেষণে
ব্যবহারিক প্রয়োগের প্রয়োজনীয়তাগুলি মেটাতে, গবেষণা দলটি ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড সক্রিয় উপাদানের বেধ এবং লোডিং ক্ষমতা বাড়ানোর চেষ্টা করেছিল, যার ফলে ব্যাটারির সামগ্রিক শক্তি ঘনত্বকে উন্নত করে। ফলাফল:
যখন পজিটিভ ইলেক্ট্রোডের পুরুত্ব প্রায় 70 µm থেকে বেড়ে 140 µm এবং 210 µm হয়, তখনও 50mA/cm2 এ চার্জিং পরীক্ষার মাধ্যমে উচ্চ ক্ষমতার ব্যবহার এবং সাইক্লিং স্থায়িত্ব অর্জন করা যেতে পারে। এটি লক্ষণীয় যে একটি 210 µm পুরু পজিটিভ ইলেক্ট্রোড আনুমানিক 45 mg/cm2 এর লোডিং ক্ষমতার সাথে মিলে যায়, যা সলিড-স্টেট ব্যাটারিতে বেশ তাৎপর্যপূর্ণ।
ঘন ইলেক্ট্রোডগুলিতে দ্রুত চার্জিং উপলব্ধি করা ইঙ্গিত দেয় যে উপাদান নকশা কৌশল কার্যকরভাবে শক্ত ইলেক্ট্রোলাইটগুলিতে আয়নগুলির উল্লম্ব বিস্তার ক্ষমতা বাড়িয়ে তোলে এবং অভ্যন্তরীণ কণাগুলির মধ্যে ঘনিষ্ঠ যোগাযোগ বজায় রাখে, যা ডিফিউশন চ্যানেলগুলিতে আয়ন ধরে রাখা হ্রাস করতে সহায়তা করে।
এমনকি এই ধরনের উচ্চ লোড ইলেক্ট্রোডের মধ্যে, উপযুক্ত গরম অবস্থার (80 ডিগ্রি) অধীনে 10 মিনিটের জন্য চার্জ করা সক্রিয় পদার্থের 85% পর্যন্ত ব্যবহার অর্জন করতে পারে। স্রাব এছাড়াও ভাল সাইক্লিং বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে. এটি ভবিষ্যতের বড় আকারের বৈদ্যুতিক গাড়ির ব্যাটারি অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য একটি সম্ভাব্য পথ প্রদান করে: ঘন ইলেক্ট্রোড এবং উচ্চ ভর লোড ব্যবহার করে, দ্রুত চার্জিং কর্মক্ষমতা এবং জীবনকালকে বলিদান ছাড়াই উচ্চ শক্তির আউটপুট অর্জন করা যেতে পারে।
5. ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল প্রতিবন্ধকতা এবং কর্মক্ষমতা অবনতি বিশ্লেষণ
পারফরম্যান্স পরিবর্তনের প্রক্রিয়াটি গভীরভাবে বিশ্লেষণ করার জন্য, গবেষকরা সাইকেল চালানোর আগে এবং পরে ব্যাটারিতে বিকল্প বর্তমান প্রতিবন্ধকতা বর্ণালী (ইআইএস) পরিমাপ পরিচালনা করেছিলেন:
প্রাথমিক কয়েকটি চক্রের পরে, ব্যাটারি প্রতিবন্ধকতা কিছুটা বৃদ্ধি পেয়েছিল, তবে তারপরে হাজার হাজার চক্রের উপরে স্থিতিশীল হয়েছিল। এর অর্থ হ'ল যদি প্রাথমিকভাবে কোনও মাইক্রো ইন্টারফেস সামঞ্জস্য থাকে তবে প্রাথমিক চক্রটিতে প্রাথমিক স্থিতিশীলতা প্রক্রিয়াটি সম্পন্ন হয়েছে।
পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া স্তরগুলি বা আয়ন ব্লকিং বৈশিষ্ট্যযুক্ত সংকেতগুলির কোনও সুস্পষ্ট অতিরিক্ত বৃদ্ধি নেই, এটি ইঙ্গিত করে যে সাবধানে ডিজাইন করা কণা ব্যবস্থা এবং ইন্টারফেস কাঠামো এখনও দীর্ঘমেয়াদী উচ্চ লোড এবং উচ্চ হারের শর্তের অধীনে দক্ষ সংক্রমণ চ্যানেলগুলি বজায় রাখতে পারে।
আরও বিশ্লেষণ ইঙ্গিত দেয় যে দ্রুত চার্জিং অবস্থার অধীনে, আয়ন প্রসারণের হার একটি সীমাবদ্ধ ফ্যাক্টর হয়ে ওঠে, এবং এই গবেষণার নকশা সফলভাবে এই সীমাবদ্ধতা হ্রাস করে, আয়নগুলিকে দ্রুত ইলেক্ট্রোলাইট কণা ইন্টারফেসের মধ্য দিয়ে যেতে দেয়, ব্যবহার উন্নত করে এবং মেরুকরণ হ্রাস করে।
সারাংশ
এই গবেষণাটি উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, দ্রুত চার্জিং এবং দীর্ঘ জীবনকাল সমস্ত শক্ত রাষ্ট্রীয় ব্যাটারি অর্জনের জন্য নকশার মানদণ্ডের একটি সেট স্থাপন করেছে এবং পরীক্ষার মাধ্যমে তাদের কার্যকারিতা প্রদর্শন করেছে। এনএমসি পজিটিভ ইলেক্ট্রোড উপাদান এবং সালফাইড সলিড ইলেক্ট্রোলাইট (এলপিএসসি) এর সংমিশ্রণটি অনুকূল করে, কণাগুলি যুক্তিসঙ্গতভাবে বিতরণ করে, ইলেক্ট্রোড পোরোসিটি এবং বেধ নিয়ন্ত্রণ করে, উচ্চ ক্ষমতা (~ 150 এমএএইচ/জি) এবং দীর্ঘ জীবনকাল (81% সহ 30 ডিগ্রি অর্জন করা হয়েছিল। 3000 চক্রের পরে ক্ষমতা ধরে রাখা) এমনকি 15 এমএ/সেমি 2 (প্রায় 8 সি হার) এ চার্জ করা হলেও। এদিকে, ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের বেধ এবং লোড বাড়িয়ে, উচ্চ এসওসি পরিসরে দ্রুত চার্জিং (10% -80%) এখনও মাঝারি হিটিং (80 ডিগ্রি) এর মাধ্যমে 10 মিনিটের মধ্যে সম্পন্ন করা যায়।