পটভূমি

1800 সালে, ইতালীয় পদার্থবিজ্ঞানী এ. ভোল্টা ভোল্টাইক পাইল তৈরি করেন, যা ব্যবহারিক ব্যাটারির সূচনা করে এবং প্রথমবারের মতো ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল এনার্জি স্টোরেজ ডিভাইসে ইলেক্ট্রোলাইটের গুরুত্ব বর্ণনা করে। ইলেক্ট্রোলাইটটিকে তরল বা কঠিন আকারে ইলেকট্রনিকভাবে অন্তরক এবং আয়ন-পরিবাহী স্তর হিসাবে দেখা যেতে পারে, যা ঋণাত্মক এবং ধনাত্মক ইলেক্ট্রোডের মধ্যে ঢোকানো হয়। বর্তমানে, অ-জৈব কার্বনেট দ্রাবক (যেমন EC এবং DMC) এ কঠিন লিথিয়াম লবণ (যেমন LiPF6) দ্রবীভূত করে সবচেয়ে উন্নত ইলেক্ট্রোলাইট তৈরি করা হয়। সাধারণ কোষের ফর্ম এবং নকশা অনুসারে, ইলেক্ট্রোলাইট সাধারণত কোষের ওজনের 8% থেকে 15% হয়ে থাকে। কি'আরও, এর জ্বলনযোগ্যতা এবং সর্বোত্তম অপারেটিং তাপমাত্রা পরিসীমা -10°গ থেকে 60°C ব্যাটারি শক্তির ঘনত্ব এবং নিরাপত্তার উন্নতিতে ব্যাপকভাবে বাধা দেয়। অতএব, উদ্ভাবনী ইলেক্ট্রোলাইট ফর্মুলেশনগুলি পরবর্তী প্রজন্মের নতুন ব্যাটারির বিকাশের জন্য মূল সক্ষমকারী হিসাবে বিবেচিত হয়।

গবেষকরা বিভিন্ন ইলেক্ট্রোলাইট সিস্টেম বিকাশের জন্যও কাজ করছেন। উদাহরণস্বরূপ, ফ্লোরিনযুক্ত দ্রাবকগুলির ব্যবহার যা দক্ষ লিথিয়াম ধাতব সাইক্লিং অর্জন করতে পারে, জৈব বা অজৈব কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট যা যানবাহন শিল্পের জন্য উপকারী এবং "সলিড স্টেট ব্যাটারি" (SSB)। মূল কারণ হল যে যদি কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট আসল তরল ইলেক্ট্রোলাইট এবং ডায়াফ্রাম প্রতিস্থাপন করে তবে ব্যাটারির নিরাপত্তা, একক শক্তির ঘনত্ব এবং জীবন উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হতে পারে। এর পরে, আমরা প্রধানত বিভিন্ন উপকরণ সহ কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটের গবেষণা অগ্রগতির সংক্ষিপ্তসার করি।

অজৈব কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট

অজৈব কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটগুলি বাণিজ্যিক ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল এনার্জি স্টোরেজ ডিভাইসে ব্যবহার করা হয়েছে, যেমন কিছু উচ্চ-তাপমাত্রার রিচার্জেবল ব্যাটারি Na-S, Na-NiCl2 ব্যাটারি এবং প্রাথমিক Li-I2 ব্যাটারি। 2019 সালে, হিটাচি জোসেন (জাপান) মহাকাশে ব্যবহার করার জন্য 140 mAh এর একটি অল-সলিড-স্টেট পাউচ ব্যাটারি প্রদর্শন করেছে এবং আন্তর্জাতিক মহাকাশ স্টেশনে (ISS) পরীক্ষা করেছে। এই ব্যাটারিটি একটি সালফাইড ইলেক্ট্রোলাইট এবং অন্যান্য অপ্রকাশিত ব্যাটারি উপাদানগুলির সমন্বয়ে গঠিত, যা -40 এর মধ্যে কাজ করতে সক্ষম°গ এবং 100°C. 2021 সালে কোম্পানি 1,000 mAh এর একটি উচ্চ ক্ষমতার সলিড ব্যাটারি প্রবর্তন করছে৷ হিটাচি জোসেন একটি সাধারণ পরিবেশে কাজ করা স্থান এবং শিল্প সরঞ্জামের মতো কঠোর পরিবেশের জন্য শক্ত ব্যাটারির প্রয়োজনীয়তা দেখেন। কোম্পানি 2025 সালের মধ্যে ব্যাটারির ক্ষমতা দ্বিগুণ করার পরিকল্পনা করেছে। কিন্তু এখনও পর্যন্ত, বৈদ্যুতিক গাড়িতে ব্যবহার করা যেতে পারে এমন কোনও অফ-দ্য-শেল্ফ অল-সলিড-স্টেট ব্যাটারি পণ্য নেই।

জৈব আধা-কঠিন এবং কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট

জৈব কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট বিভাগে, ফ্রান্সের বোলোরে সফলভাবে একটি জেল-টাইপ PVDF-HFP ইলেক্ট্রোলাইট এবং একটি জেল-টাইপ PEO ইলেক্ট্রোলাইট বাণিজ্যিকীকরণ করেছে। এই ব্যাটারি প্রযুক্তিটি বৈদ্যুতিক যানবাহনে প্রয়োগ করার জন্য কোম্পানিটি উত্তর আমেরিকা, ইউরোপ এবং এশিয়াতে কার-শেয়ারিং পাইলট প্রোগ্রাম চালু করেছে, কিন্তু এই পলিমার ব্যাটারিটি যাত্রীবাহী গাড়িতে কখনই ব্যাপকভাবে গৃহীত হয়নি। তাদের দুর্বল বাণিজ্যিক গ্রহণে অবদান রাখার একটি কারণ হল যে তারা শুধুমাত্র তুলনামূলকভাবে উচ্চ তাপমাত্রায় ব্যবহার করা যেতে পারে (50°গ থেকে 80°গ) এবং কম ভোল্টেজ রেঞ্জ। এই ব্যাটারিগুলি এখন বাণিজ্যিক যানবাহনে ব্যবহার করা হচ্ছে, যেমন কিছু সিটি বাস। ঘরের তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ কঠিন পলিমার ইলেক্ট্রোলাইট ব্যাটারির সাথে কাজ করার কোন ঘটনা নেই (অর্থাৎ, প্রায় 25°গ)।

সেমিসলিড ক্যাটাগরিতে রয়েছে উচ্চ সান্দ্র ইলেক্ট্রোলাইট, যেমন লবণ-দ্রাবক মিশ্রণ, ইলেক্ট্রোলাইট দ্রবণ যার লবণের ঘনত্ব মান 1 mol/L এর চেয়ে বেশি, যার ঘনত্ব বা স্যাচুরেশন পয়েন্ট 4 mol/L পর্যন্ত। ঘনীভূত ইলেক্ট্রোলাইট মিশ্রণের সাথে একটি উদ্বেগ হল ফ্লুরিনযুক্ত লবণের তুলনামূলকভাবে উচ্চ উপাদান, যা লিথিয়াম সামগ্রী এবং এই জাতীয় ইলেক্ট্রোলাইটগুলির পরিবেশগত প্রভাব সম্পর্কেও প্রশ্ন উত্থাপন করে। এর কারণ হল একটি পরিপক্ক পণ্যের বাণিজ্যিকীকরণের জন্য একটি ব্যাপক জীবনচক্র বিশ্লেষণের প্রয়োজন। এবং প্রস্তুত আধা-কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটগুলির জন্য কাঁচামালগুলিও সহজ এবং সহজে উপলব্ধ হতে হবে যাতে আরও সহজে বৈদ্যুতিক যানগুলিতে একত্রিত হয়।

হাইব্রিড ইলেক্ট্রোলাইটস

হাইব্রিড ইলেক্ট্রোলাইট, যা মিশ্র ইলেক্ট্রোলাইট নামেও পরিচিত, জলীয়/জৈব দ্রাবক হাইব্রিড ইলেক্ট্রোলাইটের উপর ভিত্তি করে বা কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটের উত্পাদনযোগ্যতা এবং মাপযোগ্যতা এবং স্ট্যাকিং প্রযুক্তির প্রয়োজনীয়তা বিবেচনা করে একটি কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটে একটি অ-জলীয় তরল ইলেক্ট্রোলাইট দ্রবণ যোগ করে সংশোধন করা যেতে পারে। যাইহোক, এই জাতীয় হাইব্রিড ইলেক্ট্রোলাইটগুলি এখনও গবেষণা পর্যায়ে রয়েছে এবং কোনও বাণিজ্যিক উদাহরণ নেই।

ইলেক্ট্রোলাইট বাণিজ্যিক উন্নয়নের জন্য বিবেচনা

কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটগুলির সবচেয়ে বড় সুবিধা হল উচ্চ নিরাপত্তা এবং দীর্ঘ চক্র জীবন, তবে বিকল্প তরল বা কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটগুলি মূল্যায়ন করার সময় নিম্নলিখিত বিষয়গুলি সাবধানে বিবেচনা করা উচিত:

• কঠিন ইলেক্ট্রোলাইটের উত্পাদন প্রক্রিয়া এবং সিস্টেম ডিজাইন। ল্যাবরেটরি গেজ ব্যাটারিতে সাধারণত কয়েকশ মাইক্রন পুরু শক্ত ইলেক্ট্রোলাইট কণা থাকে, ইলেক্ট্রোডের একপাশে লেপা থাকে। এই ছোট কঠিন কোষগুলি বড় কোষের (10 থেকে 100Ah) জন্য প্রয়োজনীয় কার্যক্ষমতার প্রতিনিধি নয়, কারণ 10~100Ah ক্ষমতা বর্তমান পাওয়ার ব্যাটারির জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতম স্পেসিফিকেশন।
• সলিড ইলেক্ট্রোলাইটও ডায়াফ্রামের ভূমিকা প্রতিস্থাপন করে। যেহেতু এর ওজন এবং বেধ পিপি/পিই ডায়াফ্রামের চেয়ে বেশি, তাই ওজনের ঘনত্ব অর্জনের জন্য এটিকে সামঞ্জস্য করতে হবে≥350Wh/কেজিএবং শক্তি ঘনত্ব≥900Wh/L এর বাণিজ্যিকীকরণের প্রতিবন্ধকতা এড়াতে।

ব্যাটারি সবসময় কিছু মাত্রায় নিরাপত্তা ঝুঁকি। সলিড ইলেক্ট্রোলাইটস, যদিও এটি তরল থেকে নিরাপদ, অগত্যা অ দাহ্য নয়। কিছু পলিমার এবং অজৈব ইলেক্ট্রোলাইট অক্সিজেন বা জলের সাথে প্রতিক্রিয়া করতে পারে, তাপ এবং বিষাক্ত গ্যাস তৈরি করে যা আগুন এবং বিস্ফোরণের ঝুঁকি তৈরি করে। একক কোষ ছাড়াও, প্লাস্টিক, কেস এবং প্যাক উপকরণগুলি অনিয়ন্ত্রিত জ্বলন সৃষ্টি করতে পারে। তাই শেষ পর্যন্ত, একটি সামগ্রিক, সিস্টেম-স্তরের নিরাপত্তা পরীক্ষা প্রয়োজন।