ব্যাটারি চার্জ হওয়ার সময় ভেতরে ঠিক কী ঘটছে?

চার্জিং হলো ব্যাটারিতে এক মহিমান্বিত যাত্রা: লিথিয়াম আয়ন যখন গ্রাফাইটের স্তরগুলোর মাঝে বসে যায়, তখন এই যাত্রা থেকেই শক্তির জন্ম হয়।
চার্জিং হলো ব্যাটারিতে এক মহিমান্বিত যাত্রা: লিথিয়াম আয়ন যখন গ্রাফাইটের স্তরগুলোর মাঝে বসে যায়, তখন এই যাত্রা থেকেই শক্তির জন্ম হয়।

এই পেজটি শেয়ার করুন

একটি ইলেকট্রিক গাড়ির ব্যাটারি চার্জারে লাগানো হলে, সেলের ভেতরে লিথিয়াম আয়নগুলো পজিটিভ ইলেকট্রোড থেকে নেগেটিভ ইলেকট্রোডের দিকে স্থানান্তরিত হয়ে গ্রাফাইটের স্তরগুলোর মাঝে জায়গা নেয়; আর ইলেকট্রনগুলো ইলেকট্রোলাইটের ভেতর দিয়ে যেতে না পারায় বাইরের সার্কিট দিয়ে পথ চলে। ডিসচার্জের সময় এই গতিবিধি সম্পূর্ণ বিপরীত দিকে ঘুরে যায়। পুরো শক্তিই এই দ্বিমুখী আয়ন ও ইলেকট্রন প্রবাহ থেকে উৎপন্ন হয় - ব্যাটারির কর্মপদ্ধতি এক বাক্যে এতটাই স্পষ্ট।

গুরুত্বপূর্ণ বিষয়সমূহ

  • লিথিয়াম আয়নগুলো ইলেকট্রোলাইটের ভেতর দিয়ে, ইলেকট্রনগুলো বাইরের সার্কিট দিয়ে চলে; ইলেকট্রোলাইট ইলেকট্রন পরিবহন করে না।
  • গ্রাফাইট অ্যানোডের তাত্ত্বিক ক্যাপাসিটি 372 mAh/g (LiC₆ গঠনে)।
  • স্ট্যান্ডার্ড চার্জিং পদ্ধতি হলো CC-CV: প্রথমে ধ্রুবক কারেন্ট, তারপর ধ্রুবক ভোল্টেজ।
  • SEI স্তরটি প্রথম চার্জ সাইকেলগুলোতে গঠিত হয় এবং এটিই ক্যাপাসিটি ক্ষতির প্রধান কারণ।
  • সাধারণ সেল ভোল্টেজ 3.6-3.85 V; সাইকেল স্থায়িত্ব 400-1.200 সাইকেল পরিসরে থাকে।

সেলের চারটি মৌলিক উপাদান: কোনটা কোথায় থাকে?

প্রক্রিয়াটি বোঝার দ্রুততম উপায় হলো সেলটিকে তার অংশগুলোতে ভাগ করা। একটি লিথিয়াম-আয়ন সেলে চারটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান থাকে: নেগেটিভ ইলেকট্রোড (অ্যানোড), পজিটিভ ইলেকট্রোড (ক্যাথোড), এই দুটোকে স্পর্শ হতে না দেওয়া একটি ছিদ্রযুক্ত সেপারেটর এবং আয়নগুলো যার ভেতরে চলাচল করে সেই ইলেকট্রোলাইট। এগুলোর সঙ্গে দুটি কারেন্ট কালেক্টর ও আবরণী যুক্ত হয়; কিন্তু প্রক্রিয়ার রসায়ন নির্ধারণ করে চারটি প্রধান উপাদান।

উপাদান নির্বাচন স্ট্যান্ডার্ড: নেগেটিভ ইলেকট্রোড সাধারণত গ্রাফাইট দিয়ে, আর পজিটিভ ইলেকট্রোড একটি ধাতব অক্সাইড বা ফসফেট দিয়ে তৈরি হয়। ইলেকট্রোলাইট হলো জৈব দ্রাবকে দ্রবীভূত লিথিয়াম লবণ - সবচেয়ে প্রচলিত লবণ LiPF₆। এই তিনটি উপাদানের সমন্বয়ই ব্যাটারির এনার্জি ডেনসিটি এবং নিরাপত্তা প্রোফাইল - দুটোই সরাসরি নির্ধারণ করে।

শক্তি সঞ্চয়ের পদ্ধতিটিও সংজ্ঞা অনুযায়ী নির্দিষ্ট: লিথিয়াম আয়নগুলো তড়িৎ পরিবহনকারী কঠিন পদার্থের ভেতরে পুনরুদ্ধারযোগ্যভাবে স্থাপিত হয়। এই প্রক্রিয়াকে intercalation অর্থাৎ মাঝে প্রবেশ করা বলা হয়। গ্রাফাইটে স্থাপিত প্রতিটি লিথিয়াম আয়ন গ্রাফাইটের দ্বিমাত্রিক স্তরগুলোর মাঝে ভৌতভাবে আটকে থাকে; বিদ্যুৎ খরচ করে যে শক্তি সঞ্চিত হয়, ঠিক সেটাই এটি।

ডিসচার্জের সময় কী ঘটছে? আয়নের যাত্রা এবং ইলেকট্রনের বাধ্যতামূলক পথ

Deşarj sırasında lityum iyonu elektrolit içinde yüzerken elektron dış devreden dolanmak zorundadır; bu zorunlu rota, cihazınızın gücünün ta kendisidir.

ব্যাটারি যখন কোনো মোটর বা ইনভার্টারকে শক্তি দেয়, তখন ডিসচার্জ শুরু হয়। নেগেটিভ ইলেকট্রোডে একটি জারণ আধা-বিক্রিয়া ঘটে: সঞ্চিত লিথিয়াম ধনাত্মক আধানযুক্ত লিথিয়াম আয়নে (Li⁺) এবং ঋণাত্মক আধানযুক্ত একটি ইলেকট্রনে বিভক্ত হয়। আয়নটি ইলেকট্রোলাইটের ভেতর দিয়ে ক্যাথোডের দিকে প্রবাহিত হয়; আর ইলেকট্রন বাইরের সার্কিট হয়ে একই গন্তব্যে পৌঁছায়। ক্যাথোডে বিজারণ আধা-বিক্রিয়া আয়ন ও ইলেকট্রনকে ক্যাথোড উপাদানের সঙ্গে পুনরায় একত্রিত করে।

কিন্তু ইলেকট্রন কেন ইলেকট্রোলাইটের ভেতর দিয়ে শর্টকাট নেয় না? উত্তরটি নিহিত রয়েছে নকশার কেন্দ্রবিন্দুতে: ইলেকট্রোলাইট আয়নের জন্য পরিবাহী মাধ্যম সরবরাহ করে, কিন্তু ইলেকট্রন পরিবহন করে না এবং বিক্রিয়ায় অংশও নেয় না। ইলেকট্রনের ভারসাম্য কেবল বাইরের সার্কিটের মাধ্যমেই প্রতিষ্ঠিত হতে পারে। এই সীমাবদ্ধতাটি আসলে একটি সুবিধা - ইলেকট্রনগুলো বাইরের সার্কিট দিয়ে যাওয়ার সময় চার্জের ওপর কাজ করানো হয়, অর্থাৎ মোটরটি ঘোরানো হয়। নেগেটিভ ইলেকট্রোডে জমা হওয়া অতিরিক্ত ইলেকট্রনগুলো ভারসাম্য বজায় রাখার জন্য বাইরে থেকে পজিটিভ ইলেকট্রোডে প্রবাহিত হয়; কোনো কিছু ভেতরে নয়, বরং বাইরে থেকে ফিরে আসে।

এই সময় সেলের রাসায়নিক বিভব কমে যায়। শক্তি হারায় না; সেল থেকে মূলত বাইরের সার্কিটের লোড সার্কিটগুলোতে স্থানান্তরিত হয়। ডিসচার্জের সম্পূর্ণ প্রক্রিয়াটিকে নেগেটিভ ইলেকট্রোডে সংরক্ষিত লিথিয়ামের ক্যাথোডে স্থানান্তর এবং পথে বৈদ্যুতিক কাজ উৎপাদন হিসেবে সারসংক্ষেপ করা যায়।

চার্জের সময় ভেতরে ঠিক কী চলাচল করছে?

সকেটে লাগানো হলে একই চলচ্চিত্র উল্টো দিকে চলে। বাহ্যিক উৎসটি সেলের নিজস্ব ভোল্টেজের চেয়ে বেশি একটি ওভারভোল্টেজ প্রয়োগ করে; এই পার্থক্য ছাড়া আয়নগুলো কাঙ্ক্ষিত দিকে চলাচল করে না। ইলেকট্রনগুলো বাইরের সার্কিটে পজিটিভ ইলেকট্রোড থেকে নেগেটিভ ইলেকট্রোডে জোরপূর্বক ঠেলে দেওয়া হয়, লিথিয়াম আয়নগুলোও ইলেকট্রোলাইটের পথে একই দিকে অভিবাসন করে এবং ছিদ্রযুক্ত গ্রাফাইট উপাদানে ইন্টারক্যালেশনের মাধ্যমে স্থাপিত হয়। পজিটিভ ইলেকট্রোড, ডিসচার্জে আয়ন গ্রহণকারী দিক থাকলে চার্জে সেগুলো ছাড়ার দিকে পরিণত হয়।

লিথিয়াম আয়নগুলো দুই ইলেকট্রোডের মধ্যে সামনে-পিছনে দোলায় বলে এই স্থাপত্যকে ঐতিহাসিকভাবে দোলনা চেয়ার ব্যাটারি নামে অভিহিত করা হয়েছে। উপমাটি সঠিক: সেল ক্ষয় না করে লক্ষ লক্ষ নয়, তবে শত শত বার একই পথ অতিক্রম করে। শক্তি ঘনত্বের ভৌত প্রকাশও এখানেই - এক গ্রাম লিথিয়াম 13.901 coulomb বহন করে এবং 3 V-এ এটি প্রতি গ্রামে প্রায় 41.7 kJ হয়; প্রতি লিটারে ওজন অনুযায়ী তুলনা করলে এটি পেট্রোলের দহন তাপের সামান্য বেশি। ব্যাটারির সম্পূর্ণ অংশ অবশ্য অ্যাকুমুলেটর কেসিং, ইলেকট্রোড এবং কালেক্টরের কারণে প্রতি একক শক্তিতে অনেক বেশি ভারী; স্ট্যান্ডার্ড সেলগুলো 160-300 Wh/kg স্পেসিফিক এনার্জি ব্যাপ্তিতে কাজ করে।

অ্যানোড, নাকি ক্যাথোড? পরিভাষার বিভ্রান্তি কোথা থেকে আসছে?

অ্যানোড এবং ক্যাথোড অবস্থানের নয়, বরং দায়িত্বের সংজ্ঞা: অ্যানোড হলো যে ইলেকট্রোডে অক্সিডেশন এবং ক্যাথোড হলো যেখানে রিডাকশন ঘটে। ডিসচার্জের সময় নেগেটিভ ইলেকট্রোড অ্যানোড এবং পজিটিভ ইলেকট্রোড ক্যাথোড। চার্জের সময় ভূমিকা পরিবর্তন হয় - ডিসচার্জের ক্যাথোড চার্জে অ্যানোডের মতো আচরণ করে কিন্তু পজিটিভ ইলেকট্রোড হিসেবেই থাকে। ব্যাটারি ডিজাইনের আলোচনায় অবশ্য নেগেটিভ ইলেকট্রোডকে বাস্তবে অ্যানোড বলা অব্যাহত থাকে, কারণ এর ভৌত অবস্থান পরিবর্তন হয় না। আপনি যে বিষয়বস্তু পড়ছেন সেখানে কোন পরিভাষা কোন ইলেকট্রোডকে নির্দেশ করছে তা এই পার্থক্যের মাধ্যমে নির্ধারণ করতে হবে; বিভ্রান্তি পরিভাষাগুলোর ভুলতা থেকে নয়, বরং চার্জের অবস্থার সাথে ভূমিকা পরিবর্তনের কারণে উদ্ভূত হয়।

CC-CV: চার্জিং প্রক্রিয়া কেন দুই ধাপে পরিচালিত হয়?

লিথিয়াম-আয়ন সেলের জন্য স্ট্যান্ডার্ড চার্জিং পদ্ধতি হলো CC-CV - ধ্রুবক কারেন্ট, ধ্রুবক ভোল্টেজ। প্রথম ধাপে সেলটি ধ্রুবক কারেন্টে চার্জ করা হয়; ভোল্টেজ ধাপে ধাপে বাড়তে থাকে। সেলটি তার সর্বোচ্চ ভোল্টেজে পৌঁছালে কন্ট্রোলার কৌশল পরিবর্তন করে: ভোল্টেজ ধ্রুবক রাখা হয়, কারেন্ট ধাপে ধাপে কমে যায়। কারেন্ট ন্যূনতম থ্রেশহোল্ডের নিচে নেমে এলে চার্জ সম্পূর্ণ বলে গণ্য হয়। সম্পূর্ণ চার্জের সময় সাধারণত 2-3 ঘণ্টা পর্যন্ত হয়।

ধাপ পরিবর্তন স্বেচ্ছাচারী নয়। ধ্রুবক ভোল্টেজ ধাপটি ইলেকট্রোডগুলোর ওপর ওভারভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণে রেখে গ্রাফাইটে লিথিয়ামের নিরাপদ স্থাপন নিশ্চিত করে। এই সীমা উপেক্ষা করলে ভারসাম্য দ্রুত নষ্ট হয়ে যায়: কারেন্ট ও ভোল্টেজের সীমা মানা না হলে অতিরিক্ত কুলম্বিক উত্তাপ এবং উচ্চ ভোল্টেজে অতিরিক্ত চার্জের কারণে বিপজ্জনক ফলাফল ঘটতে পারে। অতিরিক্ত ডিসচার্জের ক্ষেত্রেও অপ্রত্যাবর্তনীয় বিক্রিয়ার ঝুঁকি রয়েছে; লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড অতিরিক্ত সম্পৃক্ত হতে পারে। এ কারণে ২০-৮০% সীমার মধ্যে চার্জ করা এবং প্রান্তগুলো, বিশেষ করে সম্পূর্ণ ডিসচার্জ এড়িয়ে চলা প্রচলিত ব্যবহারিক পরামর্শ।

তাপমাত্রাও একই কঠোরতার সাথে নিয়ন্ত্রিত হয়। চার্জের জন্য আদর্শ পরিসর হলো ৫-৪৫ °C ব্যান্ড; ০-৫ °C এর মধ্যে কারেন্ট কমানো উচিত এবং ০ °C এর নিচে চার্জ সম্পূর্ণ এড়িয়ে চলা উচিত। ৪৫ °C এর উপরে চার্জিং কর্মক্ষমতা নষ্ট হয়। হার্ডওয়্যারের দিক থেকে এই সীমাগুলো প্রয়োগ করা BMS আর্কিটেকচার সিস্টেমের অংশ, যা সেলের মতোই গুরুত্বপূর্ণ।

SoC, ভোল্টেজ ও কারেন্ট: গেজের শতাংশ আসলে কীসের পরিমাপ?

অন্যান্য ব্যাটারি নিয়ে লেখায় প্রায়ই দেখা যাওয়া তিনটি ধারণার ভৌত প্রতিরূপ এখানেই নিহিত। SoC (State of Charge) হলো অবশিষ্ট ক্যাপাসিটির নির্ধারিত সম্পূর্ণ চার্জ ক্যাপাসিটির সাথে অনুপাত - ব্যবহারিকভাবে এটি চার্জের অবস্থার শতাংশ নির্দেশক। বিকল্প সংজ্ঞা হিসেবে বর্তমান ক্যাপাসিটির রেফারেন্স অর্থাৎ সর্বোচ্চ ক্যাপাসিটির সাথে অনুপাতও ব্যবহৃত হয়; দুটোই একই রাশির দুটি শতাংশ প্রকাশ।

ভোল্টেজ হলো ব্যাটারির বিভব শক্তির; আর কারেন্ট হলো ইলেকট্রনের প্রবাহের গতির পরিমাপ। উচ্চতর ভোল্টেজ নির্দিষ্ট রোধে বেশি কারেন্ট প্রবাহের অনুমতি দেয় এবং সঞ্চয় ও আহরণ করা যায় এমন বৈদ্যুতিক শক্তি বাড়ায়। একটি সাধারণ লিথিয়াম-আয়ন সেলের নমিনাল ভোল্টেজ থাকে ৩,৬-৩,৮৫ V ব্যান্ডে। এই মান পানির তড়িৎ বিশ্লেষণের বিভবের উপরে; এ কারণেই পানিহীন, জৈব ইলেকট্রোলাইট ব্যবহৃত হয় - লিথিয়াম পানির সাথে তীব্র বিক্রিয়া করে এবং লিথিয়াম হাইড্রক্সাইড ও হাইড্রোজেন উৎপন্ন করে। নমিনাল ভোল্টেজ কেন পূর্ণসংখ্যা নয় জিজ্ঞাসা করলে, উত্তর হলো ক্যাথোড রসায়নের উপর নির্ভরশীলতা: NMC এবং LFP এর মতো ভিন্ন রসায়ন ভিন্ন ভোল্টেজ বক্ররেখা তৈরি করে।

কারেন্ট হলো SoC নির্দেশকের বাকি অংশের মতো বিমূর্ত করা যায় না এমন একটি ভৌত বাস্তবতা: CC-CV প্রোটোকলে আপনি যে চার্জিং গতির ধীরগতি দেখেন, তা ভোল্টেজ স্থির হওয়ার পর সেল যে কারেন্ট গ্রহণ করে তার স্বাভাবিক হ্রাস। %100 নির্দেশকটি কারেন্ট যে মুহূর্তে থ্রেশহোল্ড মানে নেমে আসে তা বোঝায়।

প্রথম চার্জে স্থায়ীভাবে কী ঘটছে? SEI স্তরের গঠন ও এর মূল্য

একটি নতুন সেলের প্রথম চার্জ চক্রে একবারের জন্য, স্থায়ী একটি ঘটনা ঘটে: নেগেটিভ ইলেকট্রোডের উপর SEI - কঠিন ইলেকট্রোলাইট আন্তঃপৃষ্ঠ - স্তর গঠিত হয়। এই স্তরটি ইলেকট্রোলাইটের ইলেকট্রোড পৃষ্ঠে বিয়োজনের মাধ্যমে সৃষ্টি হয় এবং প্যাসিভেশন প্রদান করে। বিক্রিয়ার ট্রিগার রাসায়নিক: ইলেকট্রোডের রেডক্স বিভব ইলেকট্রোলাইটের তড়িৎরাসায়নিক উইন্ডোর বাইরে চলে গেলে বিয়োজন অনিবার্য হয়ে পড়ে।

SEI কোনো ত্রুটি নয়, একটি প্রয়োজনীয়তা। স্তরটি ইলেকট্রন নিরোধ করার সময় লিথিয়াম আয়ন পরিবহন করে; অর্থাৎ এটি আয়নের গমনের অনুমতি দেয় কিন্তু ইলেকট্রনকে ইলেকট্রোলাইটে প্রবেশ করতে দেয় না। এই দ্বৈত বৈশিষ্ট্য ব্যাটারির কর্মক্ষমতা ও নিরাপত্তার জন্য অপরিহার্য। স্তরটিকে সম্ভব করে তোলা মূল ইলেকট্রোলাইট উপাদান হলো এথিলিন কার্বোনেট; প্রোপিলিন কার্বনেট ঘরের তাপমাত্রায় কঠিন থাকে বলে এটি প্রোপিলিন কার্বনেট ও ডাইথাইল কার্বনেটের মতো তরল দ্রাবকের সঙ্গে মিশ্রিত করা হয়।

এর মূল্যও নির্দিষ্ট: SEI গঠন এবং পরবর্তী বৃদ্ধি আধুনিক লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ক্ষমতা হ্রাসের প্রধান কারণ। প্রতিটি চক্রে স্তরটি কিছুটা পুরু হয়, ইলেকট্রোলাইট ও ব্যবহারযোগ্য লিথিয়াম হ্রাস পায়। ফলাফল পরিমাপযোগ্য: 500 চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের পরে সম্পূর্ণ চার্জ করা একটি ব্যাটারির ক্ষমতা সাধারণত 10-20% কমে যায়। কোষগুলোর সামগ্রিক চক্র স্থায়িত্ব 400-1.200 চক্রের মধ্যে থাকে; তাপমাত্রা, গড় SoC এবং চার্জের গতি নির্ধারণ করে এই সংখ্যাটি কোন প্রান্তে থাকবে।

সংখ্যায় চক্রের সারসংক্ষেপ

প্যারামিটারসাধারণ মান
আপেক্ষিক শক্তি160-300 Wh/kg (বিশেষ প্রয়োগে 450 Wh/kg পর্যন্ত)
শক্তির ঘনত্ব250-842 Wh/L
নমিনাল কোষ ভোল্টেজ3,6 / 3,7 / 3,8 / 3,85 V
চার্জ/ডিসচার্জ দক্ষতা80-90%
চক্র স্থায়িত্ব400-1.200 চক্র
স্বতঃস্ফূর্ত ডিসচার্জপ্রতি মাসে 0,35-2,5% (নির্মাতারা সাধারণত 1,5-2% জানান)
গ্রাফাইট অ্যানোড ক্ষমতা372 mAh/g (LiC₆, তাত্ত্বিক)
আদর্শ চার্জ তাপমাত্রা5-45 °C

দক্ষতার সারিটিও পড়ার যোগ্য: চার্জ/ডিসচার্জ দক্ষতা 80-90% মানে প্রতিবার শক্তির একটি ছোট অংশ তাপ হিসেবে কোষ থেকে বেরিয়ে যায়। আর স্বতঃস্ফূর্ত ডিসচার্জ ব্যাটারি ব্যবহার না হলেও প্রতি মাসে প্রায় 1,5-2% হারে এগিয়ে যায়; SoC কমার সঙ্গে সঙ্গে এই হারও পরিবর্তিত হয়। যে কোষে সেপারেটর তার কাজ করে, ইলেকট্রোলাইট আর্দ্র থাকে এবং SEI সুষমভাবে বৃদ্ধি পায়, সেখানে এই ক্ষতিগুলো নিয়ন্ত্রিত থাকে - চক্রটি নিজে প্রকৃতিগতভাবে ক্ষতিহীন নয়।

ফলাফল: দ্বিমুখী একটি সঞ্চালন এবং এর সীমানা

চার্জ ও ডিসচার্জ মানে একই দুটি পথ বিপরীত দিকে ব্যবহার করা: লিথিয়াম আয়নগুলো সবসময় ইলেকট্রোলাইটের ভেতর দিয়ে এবং ইলেকট্রনগুলো সবসময় বাইরের সার্কিট দিয়ে যায়। সিস্টেমের সুস্থতা তিনটি প্যারামিটারের ওপর নির্ভর করে - তাপমাত্রার পরিসরের সঙ্গে সামঞ্জস্য, ভোল্টেজের সীমার প্রতি শ্রদ্ধা এবং SEI-এর বৃদ্ধির হার নিয়ন্ত্রণ। পরের পৃষ্ঠায় আমি আলোচনা করব কীভাবে ডিগ্রেডেশন এই প্রক্রিয়াগুলোর মাধ্যমে ত্বরান্বিত হয় এবং কেন আয়ু বাড়ানোর ব্যবহারিক পদ্ধতিগুলো ঠিক এই তিনটি সীমার ওপর ভিত্তি করে।

সূত্র