লিথিয়াম ভিত্তিক ব্যাটারি, সেগুলি সলিড-স্টেট ব্যাটারি হোক বা প্রথাগত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, একই রকম কাঠামো আছে। মাঝখানে একটি বিভাজক সহ দুটি ইলেক্ট্রোড (ধনাত্মক এবং নেতিবাচক) রয়েছে। চার্জ করার সময়, আয়নগুলি ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড (ক্যাথোড) থেকে নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে (অ্যানোডে) স্থানান্তরিত হয় এবং ডিসচার্জিংয়ের সময়, আয়নগুলি আবার ফিরে যায়। ইলেক্ট্রনের প্রতি ঝিল্লির অভেদ্যতার কারণে, ইলেকট্রনগুলি সংযুক্ত লোডের মধ্য দিয়ে যাবে (যেমন একটি বাতি) এবং এটিকে আলোকিত করবে (বিশেষত সলিড-স্টেট ব্যাটারি নির্মাণ সম্পর্কে আরও তথ্যের জন্য, অনুগ্রহ করে এখানে পড়ুন)।
এই বিবরণটি কেন লোডে প্রবাহিত হয় তা ব্যাখ্যা করতে ব্যবহার করা যেতে পারে তবে শক্তি কোথা থেকে আসে তা বোঝার পক্ষে এটি যথেষ্ট নয়। অতএব, ব্যাটারির কার্যকারিতা সম্পর্কে আরও গভীরতর গবেষণা পরিচালনা করা প্রয়োজন।
ব্যাটারি ভোল্টেজ উইন্ডো
প্রথমত, ইতিবাচক এবং ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোডের মধ্যে ভোল্টেজ কেন পরিমাপ করা যায় তা স্পষ্ট করা প্রয়োজন। লিথিয়াম ভিত্তিক ব্যাটারির ভোল্টেজ উইন্ডোটি নেতিবাচক এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের আংশিক প্রতিক্রিয়া দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয় এবং অনুরূপভাবে সেখানে ঘটে যাওয়া প্রতিক্রিয়াগুলির উপর নির্ভর করে। একটি ব্যাটারির দুটি মেরুতে পরিমাপযোগ্য ভোল্টেজ হল প্রতিটি ইলেক্ট্রোড দ্বারা উত্পন্ন ভোল্টেজের পার্থক্য:
UOC=U-নেতিবাচক মেরু - U-ধনাত্মক মেরু
নেতিবাচক এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডগুলির ভোল্টেজ কোনও নির্দিষ্ট মান নয়, তবে ব্যাটারির চার্জিং অবস্থার উপর নির্ভর করে। তবে, ইলেক্ট্রোডগুলির জন্য স্থির মানগুলি প্রায়শই সাহিত্যে সরবরাহ করা হয় (যেমন 3.9 ভি এর এলসিও)। এগুলি সাধারণত গড় ভোল্টেজের সাথে মিলে যায়।
চিত্রটি দেখায় যে কীভাবে নেতিবাচক এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড সম্ভাব্যতা থেকে চূড়ান্ত ব্যাটারি ভোল্টেজ অর্জন করা যায় (উদাহরণস্বরূপ ব্যাটারি এলসিও|গ্রাফাইটে প্রদর্শিত)। এক্স-অক্ষটি ইলেক্ট্রোডে আনুপাতিকভাবে আবদ্ধ লিথিয়ামের পরিমাণ প্রদর্শন করে। একটি (আদর্শ) সম্পূর্ণ ব্যাটারি x =1 এর জন্য, খালি ব্যাটারি x =0 এর জন্য}
একটি ব্যাটারির ইতিবাচক এবং নেতিবাচক টার্মিনালগুলিতে পরিমাপযোগ্য ভোল্টেজ লিথিয়াম এবং ইলেক্ট্রোডের মধ্যে রাসায়নিক বিক্রিয়া দ্বারা উত্পন্ন হয়। নিম্নলিখিতগুলি উদাহরণ হিসাবে এলসিও (লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড) পজিটিভ ইলেক্ট্রোড ব্যবহার করে আরও বিশদ ব্যাখ্যা সরবরাহ করবে। চিত্র 2 এলসিওর স্রাব প্রক্রিয়া দেখায় গ্রাফাইট ব্যাটারি। এটি তরল ইলেক্ট্রোলাইট সহ একটি লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি। নীতিগতভাবে, এই নকশাটি সলিড-স্টেট ব্যাটারিগুলির জন্যও প্রযোজ্য, যদিও এলসিও এবং খাঁটি গ্রাফাইট যেমন ইলেক্ট্রোড উপকরণগুলি এটিপিকাল এবং আরও উন্নত উপকরণগুলি ব্যবহার করে (যেমন সিলিকন গ্রাফাইট নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড হিসাবে এবং এনএমসি 8111 ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড হিসাবে)।
নেতিবাচক এবং ইতিবাচক ইলেক্ট্রোডের লিথিয়াম আয়ন চার্জিং এবং ডিসচার্জিং প্রক্রিয়া দ্বারা ভোল্টেজ তৈরি হয়। চিত্রে দেখানো প্রতিক্রিয়াটি সলিড-স্টেট ব্যাটারির ক্ষেত্রেও প্রযোজ্য, তবে এখানে নির্বাচিত উপকরণগুলি সাধারণ নয় এবং শুধুমাত্র রেফারেন্সের জন্য।
স্রাব প্রক্রিয়া চলাকালীন, লিথিয়াম আয়নগুলি নেতিবাচক বৈদ্যুতিন থেকে ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডে স্থানান্তরিত হয়। এলসিও একটি স্তরযুক্ত কাঠামো সহ একটি ইতিবাচক বৈদ্যুতিন। স্রাব প্রক্রিয়া চলাকালীন, লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড স্তরগুলির মধ্যে আন্তঃসংযোগ করে। লিথিয়াম এবং কোবাল্ট অক্সাইডের মধ্যে প্রতিক্রিয়া সমীকরণটি নিম্নরূপ:
সিওও 2 + ই– + লি + → লিকু 2
বাহ্যিকভাবে পরিমাপযোগ্য ভোল্টেজ তৈরি হয় স্তরযুক্ত অক্সাইডের প্রতিটি স্তরে লিথিয়ামের ইন্টারক্যালেশন প্রতিক্রিয়া এবং এই এক্সোথার্মিক প্রক্রিয়া চলাকালীন নির্গত শক্তির কারণে। তথাকথিত Nernst সমীকরণের সাহায্যে, ব্যাটারিতে পদার্থের ঘনত্বের উপর ভিত্তি করে একটি অর্ধ কোষের ভোল্টেজ গণনা করা যেতে পারে:
Ured {{0}} U(0,red) – (RT / (ze F)) * ln (লাল / অক্স)
U0, লাল: ইলেকট্রোড সম্ভাব্য (ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ভোল্টেজ সিরিজ টেবিল থেকে পড়া যেতে পারে)
আর: সর্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক
টি: তাপমাত্রা (কেলভিন)
জেডই: স্থানান্তরিত ইলেক্ট্রনের সংখ্যা: স্থানান্তরিত ইলেক্ট্রনের সংখ্যা (লিথিয়ামের কেবল একটি ভ্যালেন্স ইলেক্ট্রন রয়েছে, সুতরাং এখানে এটি 1)
এফ: ফ্যারাডে ধ্রুবক
লাল , বলদ: বিভিন্ন রেডক্স বিক্রিয়াকের ঘনত্ব
রেডক্স রিঅ্যাক্ট্যান্টগুলির ঘনত্ব ইলেক্ট্রোড চার্জের অবস্থার পরিবর্তনের সাথে পরিবর্তিত হয়। অতএব, উত্পন্ন ইলেক্ট্রোড ভোল্টেজ মূলত বৈদ্যুতিন সম্ভাবনার উপর নির্ভরশীল, যা তাপমাত্রা এবং চার্জ অবস্থার ভিত্তিতে ক্রমাঙ্কিত হয়। এটি উল্লেখ করা উচিত যে ব্যাটারিতে কিছু গৌণ প্রতিক্রিয়াও ঘটে, যা উত্পন্ন ভোল্টেজকেও প্রভাবিত করে, তাই উপরের সমীকরণটি কেবল প্রথম অনুমান হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে।
ইলেক্ট্রোড সম্ভাবনার উপর নার্নস্ট সমীকরণের দৃ strong ় নির্ভরতার কারণে আমরা এখানে সর্বোচ্চ ইলেক্ট্রোড সম্ভাবনার সাথে উপাদানটি নির্বাচন করার চেষ্টা করি। পর্যায় সারণির ডান পাশের উপাদানগুলি এখানে একটি উচ্চ অনুপাতে পৌঁছেছে কারণ উপাদানগুলির আয়নিক ব্যাসার্ধ হ্রাস পেয়েছে এবং ইলেক্ট্রনগুলি পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের প্রতি আরও দৃ strongly ়ভাবে আকৃষ্ট হয়। একটি শক্তিশালী পারমাণবিক শক্তি একটি উচ্চতর বৈদ্যুতিন সম্ভাবনার দিকে পরিচালিত করবে।
এই সংযোগটি ব্যাখ্যা করে কেন LCO (LixCoO2) এবং NMC811 ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণ হিসাবে ব্যবহৃত হয়। ট্রানজিশন ধাতুগুলির মধ্যে, এইগুলি হল সর্বোচ্চ অর্ধেক সেল ভোল্টেজ সহ যৌগ।
ভোল্টেজ উইন্ডোর সীমাবদ্ধতা
একটি ব্যাটারির অনুমোদিত ভোল্টেজ পরিসীমা কেবল ইলেক্ট্রোড দ্বারা প্রভাবিত হয় না, তবে ব্যবহৃত ইলেক্ট্রোলাইটের বৈদ্যুতিন রাসায়নিক উইন্ডো দ্বারা সীমাবদ্ধ। বিশেষত তরল ইলেক্ট্রোলাইটগুলি 4.5V এর বেশি ভোল্টেজগুলি সহ্য করতে পারে না, কারণ ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে পরজীবী প্রতিক্রিয়া দেখা দেয়, যার ফলে ইলেক্ট্রোলাইটের ধীরে ধীরে পচে যাওয়ার দিকে পরিচালিত হয়। সলিড স্টেট ব্যাটারিগুলি মাঝারি মেয়াদে এই সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে উঠতে সক্ষম হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, অক্সাইড ইলেক্ট্রোলাইটগুলির একটি বিশেষ প্রশস্ত ভোল্টেজ উইন্ডো রয়েছে, অন্যদিকে সালফাইড ইলেক্ট্রোলাইটগুলি অতিরিক্ত প্রতিরক্ষামূলক স্তরগুলির সংযোজন সহ উচ্চতর ভোল্টেজগুলি সহ্য করতে সক্ষম হতে পারে।
ভোল্টেজ উইন্ডোর দ্বিতীয় গুরুত্বপূর্ণ সীমাবদ্ধতা হ'ল ব্যাটারির সম্পূর্ণ শারীরিক ভোল্টেজ উইন্ডোটি ব্যবহার করা সাধারণত সম্ভব নয়। এলসিও ক্যাথোডগুলির জন্য, কোবাল্ট স্তর থেকে লিথিয়ামটি 70%এরও বেশি দ্রবীভূত করা অসম্ভব, কারণ এটি ক্যাথোডের যান্ত্রিক কাঠামোকে দুর্বল করে এবং ত্বরান্বিত বয়স্কের দিকে পরিচালিত করে। অতএব, লি/এলআই+এর সাথে তুলনা করে, এলসিও ব্যাটারিগুলির ভোল্টেজ 4.2V এর মধ্যে সীমাবদ্ধ। নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের ক্ষেত্রে, সাধারণত সমস্ত লিথিয়াম আয়নগুলি অপসারণ করা সম্ভব হয় না, তাই কিছু লিথিয়াম আয়নগুলি এখনও নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে থেকে যায়, যার ফলে সর্বাধিক অর্জনযোগ্য ক্ষমতা হ্রাস হয়।
ব্যাটারির ক্ষমতা নির্ধারণ
ব্যাটারির জন্য সর্বাধিক ক্ষমতা প্রদানের জন্য, নেতিবাচক এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডগুলি সঠিকভাবে সামঞ্জস্য করতে হবে যাতে চার্জিং প্রক্রিয়া চলাকালীন, পজিটিভ ইলেক্ট্রোড থেকে বেরিয়ে আসা সমস্ত লিথিয়াম আয়ন নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড কাঠামোতে একটি স্টোরেজ অবস্থান খুঁজে পেতে পারে। নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের আকার এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের আকারের মধ্যে অনুপাতকে N/P অনুপাত বলা হয়, যেখানে N নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের ভর ভগ্নাংশ বর্ণনা করে এবং P ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের ভর ভগ্নাংশকে বর্ণনা করে। ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড থেকে বেরিয়ে আসা প্রতিটি লিথিয়াম আয়নকে অবশ্যই নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে একটি অবস্থান খুঁজে বের করতে হবে, আকারের অনুপাত N/P ≈ 1। তবে, লিথিয়াম আয়নগুলির জন্য সবসময় ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোডে অবস্থান খুঁজে পাওয়া কঠিন। দ্রুত চার্জিংয়ের সময়, লিথিয়াম আয়নগুলি নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড (লিথিয়াম প্লেটিং) এ জমা হতে থাকে কারণ তারা নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড কাঠামোতে দ্রুত খালি অবস্থান খুঁজে পায় না। লিথিয়াম প্লেটিং ব্যাটারির প্রধান ক্ষতির প্রক্রিয়াগুলির মধ্যে একটি হওয়ার কারণে, নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডের অনুপাত সামান্য বৃদ্ধি পায় (N/P ≈ 1.04-1.2), যাতে আয়নগুলিকে নিষ্ক্রিয় অবস্থানগুলি অনুসন্ধান করতে না হয় খুব দীর্ঘ
বিভিন্ন সক্রিয় উপকরণগুলির ক্ষমতা সাধারণত এএইচ/কেজিতে দেওয়া হয় এবং গণনা করা যায়। গণনা কেবল সক্রিয় উপকরণ বিবেচনা করে। রাসায়নিক অ্যাডিটিভস, যোগাযোগের পৃষ্ঠগুলি, প্রতিরক্ষামূলক স্তরগুলি ইত্যাদি ইলেক্ট্রোড তাত্ত্বিক ক্ষমতার গণনায় উপেক্ষা করা হয়। গণনা করার সময়, প্রথমে ইলেক্ট্রোড উপাদানের ভর নির্ধারণ করুন (কেজি/মলে)। এই মানটি মোলার ভর দ্বারা গণনা করা যেতে পারে বা একটি লুকআপ টেবিল থেকে প্রাপ্ত করা যেতে পারে। এলসিওর জন্য, মোলার ভরগুলি 0। 09788 কেজি/মোল। দ্বিতীয় ধাপে, অ্যাভোগাড্রো ধ্রুবকটি এক কেজি ইলেক্ট্রোড উপাদানগুলিতে কতগুলি অণু উপস্থিত রয়েছে তা গণনা করতে ব্যবহার করা যেতে পারে (এলসিওর জন্য, এটি প্রতি কেজি প্রতি 6.15 * 10 ^ 24 পরমাণু)।
ক্ষারীয় ধাতু হিসাবে (প্রথম প্রধান গোষ্ঠীর উপাদান) হিসাবে, লিথিয়ামে কেবল একটি ইলেক্ট্রন রয়েছে যা রাসায়নিক বিক্রিয়ায় অংশ নিতে পারে। প্রতিটি বৈদ্যুতিন একটি নেতিবাচক মৌলিক চার্জ বহন করে e। অতএব, একটি লিথিয়াম পরমাণু একটি মৌলিক চার্জ E -প্রকাশ করতে পারে।
ক্ষমতা গণনা করার জন্য, এখন এটি বিবেচনা করা প্রয়োজন যে স্রাব প্রক্রিয়া চলাকালীন প্রতিটি লিথিয়াম আয়ন সংযুক্ত লোডের মাধ্যমে একটি বৈদ্যুতিন স্থানান্তর করবে। অতএব, ক্ষমতা হ'ল একটি পরমাণু দ্বারা বহন করা চার্জের পরিমাণ এবং পরমাণুর সংখ্যা। এলসিওর জন্য, এর ফলস্বরূপ 274 এএইচ/কেজি ক্ষমতা রয়েছে। অন্যান্য ধনাত্মক এবং নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণগুলির ক্ষমতা একই পদ্ধতি ব্যবহার করে গণনা করা যেতে পারে।
গণনা করা মানটি তাত্ত্বিকভাবে অর্জনযোগ্য শক্তি ঘনত্বকে উপস্থাপন করে তবে এটি সাধারণত প্রকৃত মানের খুব কাছাকাছি হয় না। উদাহরণস্বরূপ, এলসিওর জন্য, চার্জিং প্রক্রিয়া চলাকালীন কেবল লিথিয়ামের একটি অংশ সরানো যেতে পারে, সুতরাং তাত্ত্বিক ক্ষমতা পুরোপুরি ব্যবহার করা হয় না এবং অনুশীলনে প্রাপ্ত মানগুলি উল্লেখযোগ্যভাবে কম। তবুও, গণনা করা ডেটা বিভিন্ন সক্রিয় উপকরণগুলির তুলনা করার জন্য একটি ভাল সূচক সরবরাহ করে।
উপসংহার
লিথিয়াম ব্যাটারির শক্তি আসলে কোথা থেকে আসে এই প্রশ্নের উত্তরটি পরিষ্কার: কারণটি হল রেডক্স প্রতিক্রিয়া যা চার্জিং এবং ডিসচার্জিংয়ের সময় ব্যাটারিতে কম বা বেশি বিপরীতভাবে ঘটে। ব্যাটারির কাঠামোর কারণে, চার্জ করার সময় ইলেকট্রনগুলি চার্জারের মাধ্যমে নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে স্থানান্তর করতে বাধ্য হয়। ফলে চার্জ স্থানান্তরের ফলে লিথিয়াম আয়নও নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে স্থানান্তরিত হয়। স্রাবের সময়, প্রক্রিয়াটি বিপরীত হয়, সংযুক্ত লোডের মধ্য দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় এবং শক্তি প্রেরণ করে। চার্জের একটি নির্দিষ্ট অবস্থায় ব্যাটারি দ্বারা উত্পন্ন ভোল্টেজ Nernst সমীকরণ ব্যবহার করে গণনা করা যেতে পারে এবং প্রধানত ইলেক্ট্রোডগুলিতে লিথিয়াম আয়নগুলির ঘনত্বের উপর নির্ভর করে। যত বেশি লিথিয়াম আয়ন ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের দিকে স্থানান্তরিত হয়, পজিটিভ ইলেক্ট্রোডে তাদের ঘনত্ব তত বেশি এবং ব্যাটারির ভোল্টেজের অনুরূপ হ্রাস।
একটি ব্যাটারি যে পরিমাণ শক্তি সরবরাহ করতে পারে তার ক্ষমতার উপর নির্ভর করে। ক্ষমতা হ'ল একটি উপাদান নির্দিষ্ট ভেরিয়েবল যা সাধারণ সমীকরণগুলি ব্যবহার করে উপাদান ডেটা থেকে সরাসরি গণনা করা যায়।
সমস্ত গণনা করা পরামিতি তাত্ত্বিক (সর্বাধিক) মান উপস্থাপন করে, যা অনুশীলনে অর্জন করা হয়নি। ভোল্টেজ ইলেক্ট্রোলাইট দ্বারা সীমাবদ্ধ, এবং ক্ষমতার সম্পূর্ণ ব্যবহার ইতিবাচক ইলেক্ট্রোডের যান্ত্রিক স্থায়িত্বকে প্রভাবিত করবে। তদতিরিক্ত, লিথিয়ামের পরজীবী জমার প্রতিরোধের জন্য, কিছুটা বেশি নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণ সর্বদা একেবারে প্রয়োজনীয়তার চেয়ে ব্যবহৃত হয়। একটি ভাল নকশা প্রক্রিয়াটির লক্ষ্য হ'ল ব্যবহারিক ব্যাটারিগুলি পেতে এই সমস্ত প্রভাবগুলিকে ভারসাম্য বজায় রাখা যা স্বয়ংচালিত ব্যবহারে কয়েকশ চক্রকে সহ্য করতে পারে। সেরা ব্যাটারি সর্বদা সমঝোতার ফলাফল।