লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি কীভাবে বৈদ্যুতিক অটোমোবাইলকে ফিরিয়ে এনেছে?

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি হলো সেই ব্যাটারি রসায়ন যা উচ্চ শক্তি ঘনত্ব এবং হ্রাসমান খরচের মাধ্যমে বৈদ্যুতিক গাড়ির শতবর্ষ পুরনো রেঞ্জ ও ওজনের সমস্যার সমাধান করে আধুনিক বৈদ্যুতিক গাড়িকে প্রযুক্তিগতভাবে সম্ভব করেছে। এই নিবন্ধটি ১৮৯০-এর দশক থেকে 1991 পর্যন্র বিস্তৃত গল্পটি এবং এই বিপ্লব কীভাবে অটোমোবাইলকে পুনর্গঠিত করেছে তা বর্ণনা করে।

বৈদ্যুতিক গাড়ি কি আসলে পেট্রোলের আগে শুরু হয়েছিল?

অনেক পাঠকের ধারণার বিপরীতে, হ্যাঁ। বৈদ্যুতিক গাড়ির ইতিহাস অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের প্রায় একই যুগে শুরু হয় এবং প্রথম অর্ধশতাব্দীতে বিদ্যুৎ ছিল মোটেও প্রান্তিক একটি প্রযুক্তি নয়। 1827-1828 সালের মধ্যে হাঙ্গেরিয়ান যাজক Ányos Jedlik প্রথম বৈদ্যুতিক মোটর তৈরি করেন এবং একটি ছোট মডেল গাড়ি চালান। 1832-1839 সালের মধ্যে স্কটিশ ব্যক্তি Robert Anderson একটি অমসৃণ বৈদ্যুতিক গাড়ি তৈরি করেন; তবে গ্যালভানিক সেলগুলো তখনও চার্জ করা যেত না, অর্থাৎ যানটি একবার ব্যবহারযোগ্য শক্তির ভাণ্ডার দিয়ে চলত। 1837 সালে Robert Davidson Aberdeen-এ প্রথম বৈদ্যুতিক লোকোমোটিভ প্রোটোটাইপ তৈরি করেন; 1841 সালের বর্ধিত Galvani, 6 টন ওজন ঘণ্টায় 4 মাইল গতিতে 1.5 মাইল টেনেছিল। রেলওয়ে শ্রমিকরা চাকরি হারানোর ভয়ে যন্ত্রটি ধ্বংস করে দেয় - প্রযুক্তির মুখোমুখি হওয়া প্রথম প্রতিরোধ এতই প্রাচীনকালে ঘটেছিল।

মোড়ের মুহূর্তটি এল 1859 সালে: Gaston Planté-র লেড-অ্যাসিড ব্যাটারি প্রথমবারের মতো গাড়িতে রিচার্জেবল শক্তি সঞ্চয়কে সম্ভব করে তোলে। এই রসায়ন এতটাই মজবুত প্রমাণিত হয়েছে যে, আজও অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনযুক্ত গাড়ির ব্যাটারিতে এটি ব্যবহৃত হচ্ছে। Thomas Parker 1884 সালের কাছাকাছি সময়ে ইংল্যান্ডে বৈদ্যুতিক ট্রাম চালু করেন এবং প্রোটোটাইপ বৈদ্যুতিক গাড়ি তৈরি করেন।

Morrison থেকে Jenatzy: প্রথম স্বর্ণযুগ

মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের দিকে নির্দেশক বিন্দু হলেন William Morrison। 1890 সালে Des Moines, Iowa-তে তিনি তাঁর বৈদ্যুতিক গাড়ির জন্য পেটেন্ট আবেদন করেন; গাড়িটি ছিল সামনের চাকায় চালিত, ৪ অশ্বক্ষমতা উৎপাদন করত, ২০ mph বেগে চলত এবং ২৪টি ব্যাটারি সেল দিয়ে ৫০ মাইল পর চার্জ প্রয়োজন হতো। 1893 সালের শিকাগো বিশ্বমেলায় এটি সংবাদমাধ্যমে বিশেষ আলোড়ন সৃষ্টি করে। ফিলাডেলফিয়ায় Salom এবং Morris 1894 সালে Electrobat পেটেন্ট পান; 1896 সালের মধ্যে এটি দুটি 1.1 kW মোটর দিয়ে 25 মাইল রেঞ্জ দিচ্ছিল এবং একই বছর পেট্রোলচালিত Duryea অটোমোবাইলের বিরুদ্ধে পাঁচ মাইলের স্প্রিন্ট রেস জয়লাভ করে।

সংখ্যাগুলো প্রারম্ভিক যুগের জনপ্রিয়তা স্পষ্টভাবে দেখায়: 1900 সালে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে রাস্তার গাড়ির 28% ছিল বৈদ্যুতিক; প্রথম অটো শোতে প্রদর্শিত 160টি গাড়ির এক-তৃতীয়াংশ ছিল বৈদ্যুতিক। নগর ব্যবহারে বিদ্যুতের ছিল প্রকৃত সুবিধা - এটি ছিল নীরব, পরিচ্ছন্ন, কী ঘুরিয়েলেই চালু হতো এবং খুব কমই নষ্ট হতো। 1899 সালে Camille Jenatzy, যুগ্ম 25 kW মোটর এবং partinium অ্যালুমিনিয়াম অ্যালয় বডি সহ La Jamais Contente দিয়ে 100 কিমি/ঘণ্টা এবং 60 mph বাধা ভাঙা প্রথম ব্যক্তি হন। নিউ ইয়র্কে Electric Vehicle Company ব্যাটারি বিনিময় স্টেশন ব্যবহার করে 600-এরও বেশি বৈদ্যুতিক ট্যাক্সি পরিচালনা করেছিল; 1897 সালে লন্ডনে প্রথম বৈদ্যুতিক ট্যাক্সি সেবা চালু হয়েছিল।

পেট্রোল কেন জিতল? বৈদ্যুতিক-পেট্রোল প্রতিযোগিতার শারীরস্থান

বৈদ্যুতিক গাড়ির প্রথম পরাজয় ছিল কর্মক্ষমতার পরাজয় নয়, বরং প্রকৌশল অর্থনীতির পরাজয়। চারটি বাধাকর কারণ ছিল এবং সবগুলোই পরিমাপযোগ্য ছিল:

• খরচ: বৈদ্যুতিক গাড়িগুলো প্রায় পেট্রোলের দ্বিগুণ দামি ছিল এবং এগুলোকে বিলাসদ্রব্য গণ্য করা হতো। 1908 সালে Ford Model T-এর দাম যেখানে 850 ডলার ছিল, বৈদ্যুতিক গাড়িগুলোর অধিকাংশ অন্তত দ্বিগুণ দামে বিক্রি হতো; 1923 সালে Model T যখন 300 ডলারের নিচে নেমে আসে, তখন অনেক বৈদ্যুতিক গাড়ি দশগুণ দামি ছিল।
• পরিসর ও শক্তি সঞ্চয়: স্পেয়ার পেট্রোলের ক্যান স্পেয়ার ব্যাটারির চেয়ে অনেক হালকা ছিল - সমস্যার মূল কারণ ঠিক এই ভরের অনুপাতই ছিল।
• অবকাঠামো: বিদ্যুৎ বিহীন গ্রামীণ এলাকায় চার্জ করার কোনো সুযোগ ছিল না; অন্যদিকে পেট্রোল ছিল সর্বত্র বিক্রয়যোগ্য একটি সঞ্চিত শক্তি।
• স্টার্টার: 1912 সালে Charles Kettering-এর বৈদ্যুতিক স্টার্টার মোটর (প্রথম Cadillac-এ) হ্যান্ড ক্র্যাঙ্ককে অপ্রয়োজনীয় করে দেয় এবং বৈদ্যুতিক গাড়ির মৌলিক ব্যবহার সুবিধাটি মুছে দেয়।

এক বাক্যে বললে, লেড-অ্যাসিড ব্যাটারির শক্তি ঘনত্ব গাড়ির ভর ও পরিসরের চাহিদা পূরণ করতে পারছিল না। তবুও Detroit Electric 1907-1939 সময়কালে 35,000-এরও বেশি গাড়ি উৎপাদন করতে সক্ষম হয়; Henry Ford-এর স্ত্রী Clara Ford 1908-1914 সময়কালে একটি Detroit Electric ব্যবহার করতেন। ইংল্যান্ডে বৈদ্যুতিক দুধ বিতরণ যান "milk float"-গুলো 1980-এর দশক পর্যন্ত চলেছিল এবং দেশটি 20তম শতকের অধিকাংশ সময় বিশ্বের বৃহত্তম বৈদ্যুতিক সড়কযান ব্যবহারকারী দেশ ছিল - তবে এগুলো সংকীর্ণ, নির্দিষ্ট কাজের যান ছিল, সর্বপ্রয়োজনীয় অটোমোবাইল নয়।

বিংশ শতকের মধ্যবর্তী প্রচেষ্টা: ব্যাটারি যত ভারী হয়, তত কঠিন অগ্রগতি

1920-এর দশক থেকে বৈদ্যুতিক অটোমোবাইল প্রান্তিক হয়ে পড়ে কিন্তু পুরোপুরি মরে যায়নি; প্রতিটি প্রচেষ্টায় একবারের মতো প্রমাণিত হয়েছে যে সমস্যাটি সবসময় ব্যাটারিতেই ছিল। জাপানে 1947 সালের Tama লেড-অ্যাসিড ব্যাটারি দিয়ে 20 mph গতি ও 40 মাইল পরিসরে ট্যাক্সির কাজ করেছিল। Henney Kilowatt (1959-1960) ভোল্টেজ 36 V থেকে বাড়িয়ে 72 V করে 60 mph গতি ও 60 মাইল পরিসরে পৌঁছেছিল; তবুও মাত্র প্রায় 100টি চেসিস উৎপাদিত হয়, 47টি গাড়ি বিক্রি হয়।

GM-এর Electrovair II পরীক্ষা (1966) পরিস্থিতির তীব্রতা দেখানো একটি তথ্যবিন্দু: রূপাল-দস্তা ব্যাটারি, 532 V সিস্টেম ভোল্টেজ, 115 hp এবং 40-80 মাইল পরিসর - কিন্তু ব্যাটারিগুলো মাত্র 100 চার্জ চক্র টিকত এবং প্যাকেজটি সে বছরের মুদ্রায় 160,000 ডলার ব্যয় হচ্ছিল। 1971-72 সালে চাঁদ পরিদর্শক যান (LRV) একটি ভিন্ন লক্ষ্যে, চূড়ান্ত নির্ভরযোগ্যতার সেবা করেছিল: GM Delco মোটর এবং পুনরায় চার্জ করা যায় না এমন রূপাল-দস্তা ব্যাটারি দিয়ে, 38 মিলিয়ন ডলার ব্যয়ে। 1973 OPEC অবরোধের পর আগ্রহ পুনরুজ্জীবিত হয়: 1974 সালে বাজারে আসা Citicar 2.5 hp এবং প্রায় 25 mph গতিতে মাত্রাতিরিক্ত বিনয়ী ছিল কিন্তু মোট 4,444 ইউনিট উৎপাদন এটিকে 2013 সাল পর্যন্ত IIতীয় বিশ্বযুদ্ধ-পরবর্তী যুক্তরাষ্ট্রের বৃহত্তম বৈদ্যুতিক যান নির্মাতা করে তোলে। 1977 সালের GM Electrovette প্রোটোটাইপগুলো সীসা-অ্যাসিড চালিত ছিল, 30 mph গতিতে 50 মাইল যেত; পেট্রোলের দামের প্রত্যাশা পূরণ না হলে তা তাকে উঠে যায়।

GM EV1: ব্যাটারির সমস্যার সঙ্গে আগেভাগেই মুখোমুখি হওয়া গাড়ি

1990-এর দশকে ক্যালিফোর্নিয়ার শূন্য নির্গমন যানবাহন বাধ্যবাধকতা আধুনিক যুগের প্রথম গুরুতর অটোমোবাইল নির্মাতার EV-এর জন্ম দেয়। GM, Impact কনসেপ্ট থেকে উৎপাদনে এগিয়ে গিয়ে 1996–97 সালে EV1 লিজ দেওয়া শুরু করে; 1997 সালে ভাড়াটাদের কাছে পৌঁছায় এবং মোট প্রায় 1,000 ইউনিট লিজ দেওয়া হয়। প্রথম মডেলটি সীসা-অ্যাসিড ব্যাটারিচালিত ছিল; পরে আসা নিকেল-মেটাল হাইড্রাইড (NiMH) বিকল্পটি 70–160 মাইল পরিসর দেয় - তৎকালীন রসায়নের মধ্যে এটি লক্ষণীয় একটি লাফ ছিল, কিন্তু যথেষ্ট ছিল না।

শেষ গাড়িগুলো 1999 সালে উৎপাদিত হয়; GM 2003 সালে উচ্চ উৎপাদন খরচ ও ছোট বাজারের যুক্তিতে প্রোগ্রামটি বাতিল করে, লিজ সমাপ্ত করে, গাড়িগুলো ফেরত নিয়ে বেশিরভাগই ধ্বংস করে দেয়। নাগরিক প্রতিবাদ হয়েছিল; Francis Ford Coppola ছিলেন তাঁর গাড়িটি ধরে রাখতে পারা অল্প কয়েকজনের একজন। EV1-এর পরিণতি ঠিক কী দ্বারা নির্ধারিত হয়েছিল তা আজও বিতর্কিত: প্রচলিত বয়ান খরচ ও বাজারের আকারকে সামনে আনে, আর একটি বিকল্প পাঠ GM-এর 1992 সালের আর্থিক সংকট ও ব্যবস্থাপনা পরিবর্তনকে (Jack Smith-এর CEO পদে আসা) কেন্দ্রে রাখে। সাধারণ বিন্দু এটাই: সীসা-অ্যাসিড ও NiMH রসায়ন একটি গাড়িকে লাভজনক ও ব্যবহারিক করতে পারার মতো শক্তি ঘনত্বে পৌঁছাতে পারছিল না। অনুপস্থিত অংশটি ছিল লিথিয়াম-আয়ন।

লিথিয়াম-আয়ন বিপ্লব কীভাবে শুরু হল?

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির মৌলিক গবেষণা 1970-এর দশকে প্রকাশিত হয়; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham এবং Akira Yoshino এই কাজের জন্য 2019 সালের নোবেল রসায়ন পুরস্কার ভাগ করে নেন। বাণিজ্যিক সফলতা আসে 1991 সালে: Sony, Yoshino-র নকশা ব্যবহার করে বিশ্বের প্রথম রিচার্জেবল লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি উৎপাদন ও বিক্রি শুরু করে - "লিথিয়াম-আয়ন" নামটিও এই পণ্যই পায়। ব্যাটারি প্রথমে ক্যামেরায়, তারপর অন্যান্য কনজিউমার ইলেকট্রনিক্সে প্রবেশ করে; তখনও বৈদ্যুতিক যানবাহন মানচিত্রে ছিল না, কিন্তু তাকে সম্ভব করবে এমন শক্তির ভাণ্ডার তখন থেকে গণ-উৎপাদনে ছিল।

প্রাথমিক পরিমাপগুলো প্রযুক্তিটি কেন শ্রেষ্ঠত্ব অর্জন করেছিল তা সংখ্যায় ব্যাখ্যা করে। প্রথম বাণিজ্যিক সেলগুলো ~200 Wh/L আয়তনিক শক্তি ঘনত্ব দিত - সমসাময়িক সিস্টেমের প্রায় দ্বিগুণ। গ্র্যাভিমেট্রিক ঘনত্ব 100–120 Wh/kg সীমা থেকে 300 Wh/kg-এর ওপরে উঠেছে; বাজারে আসার পর থেকে তিন দশকে আয়তনিক ঘনত্ব তিন গুণ হয়েছে। আসল চমকপ্রদ বক্ররেখাটি খরচে: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রতি kWh-এ ~9,200 ডলার থেকে 78 ডলারে নেমেছে - 99%-এর বেশি হ্রাস। প্রযুক্তি রূপান্তরগুলোর বেশিরভাগ হয় কর্মক্ষমতা দেয় নয়তো খরচ হ্রাস; লিথিয়াম-আয়ন দুটোই একসঙ্গে করেছে এবং এটি একটি গাড়িকে রূপান্তরিত করার জন্য যথেষ্ট।

ল্যাবরেটরি থেকে অটোমোবাইলে: tzero থেকে Tesla Roadster পর্যন্ত বিস্তৃত ধারা

ভোক্তা ইলেকট্রনিক্সে লিথিয়াম-আয়ন কোষ সহজলভ্য হয়ে উঠলে, অটোমোবাইল প্রকৌশলীরা সেগুলি প্রথম দিকে লক্ষ্য করাদের মধ্যে ছিলেন। 1997 সালে Alan Cocconi-এর AC Propulsion কোম্পানি tzero উন্মোচন করে: 150 kW (201 hp) এবং লেড-অ্যাসিড ব্যাটারি সহ। Martin Eberhard লিথিয়াম-আয়ন সহ একটি tzero অর্ডার করেন; ফলাফল ছিল 0-60 mph-এ 3.7 সেকেন্ড - আনুমানিক মূল্য ছিল 220,000 ডলার। এই প্রোটোটাইপটি প্রমাণ করেছিল যে কম উৎপাদন কিন্তু উচ্চ দামের একটি লিথিয়াম-আয়ন স্পোর্টস অটোমোবাইল বাজারজাতযোগ্য।

2003 সালে Eberhard এবং Marc Tarpenning Tesla Motors প্রতিষ্ঠা করেন; Elon Musk প্রথমে AC Propulsion-কে উৎপাদন শুরু করতে রাজি করানোর চেষ্টা করেন, পরে Tesla-তে বিনিয়োগ করেন। 2008 সালে Tesla Roadster -এর উৎপাদন শুরু হয়: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি ব্যবহারকারী বিশ্বের প্রথম বাল্ক উৎপাদিত বৈদ্যুতিক স্পোর্টস অটোমোবাইল। প্রথম প্রজন্মে AC Propulsion লাইসেন্সপ্রাপ্ত পাওয়ার সিস্টেম ব্যবহৃত হয়েছিল এবং এটি Lotus Elise-এর উপাদানের উপর নির্মিত হয়েছিল। প্রযুক্তিগত চিত্রটি ছিল এরকম:

• EPA রেঞ্জ: 244 মাইল (393 কিমি) - 200 মাইল রেঞ্জ দেখানো প্রথম উৎপাদিত যানগুলির একটি।
• 0-100 কিমি/ঘণ্টা: 3.9 সেকেন্ড; 288 hp।
• প্যাকেজ: 53 kWh লিথিয়াম-আয়ন।
• উৎপাদন: 2008-2012 সালের মধ্যে 2,400-এরও বেশি ইউনিট; 2010 সালের দাম ছিল $109,000।
• স্থায়িত্ব: গড় প্যাকেজ 100,000 মাইল পরে প্রাথমিক ক্ষমতার 80-85% ধরে রাখবে বলে প্রত্যাশা করা হয়েছিল।

Roadster-এর আসল অবদান ছিল প্রযুক্তি নয়, প্রমাণ: লিথিয়াম-আয়ন প্যাকেজ সহ প্রকৃত রেঞ্জ, প্রকৃত পারফরম্যান্স এবং যুক্তিসঙ্গত ব্যাটারি লাইফ একই যানে একসাথে থাকতে পারে। 2011 সালে Nissan Leaf একটি ডেডিকেটেড প্ল্যাটফর্ম সহ প্রথম বড় প্রস্তুতকারকের EV হিসেবে 24.0 kWh লিথিয়াম-আয়ন প্যাকেজ নিয়ে যাত্রা শুরু করে এবং জানুয়ারি 2018-এ 300,000 বিক্রি অতিক্রম করে ইতিহাসের সর্বাধিক বিক্রিত সম্পূর্ণ-বৈদ্যুতিক যান হয়ে ওঠে; এই রেকর্ডটি পরে Tesla Model 3 গ্রহণ করে। EV1 থেকে অবশিষ্ট প্রকৌশল অভিজ্ঞতা Chevrolet Volt এবং Bolt লাইনে বেঁচে থাকে।

এই রূপান্তর আজ কোথায় দাঁড়িয়ে?

লিথিয়াম-আয়নের অটোমোটিভ ইন্ডাস্ট্রি পুনর্গঠন স্কেলের সাথে পরিমাপ করা হয়: 2020 সালের শেষ নাগাদ লাইট-ক্লাস প্লাগ-ইন বৈদ্যুতিক যানের কিউমুলেটিভ বিক্রি 10 মিলিয়ন ইউনিট ছাড়িয়ে যায়। মূল্য রেখা নিম্নমুখী হতে থাকে - 2026 সালের মধ্যে ব্যাটারি প্যাকেজ দাম প্রায় $80/kWh-এ নেমে আসার প্রত্যাশা করা হচ্ছে; 2025 সালে LFP রসায়নের প্যাকেজগুলি বিকল্প রসায়নের তুলনায় প্রতি kWh-তে গড়ে 40% এরও বেশি সস্তা। বিপ্লবের প্রথম অধ্যায়টি লিখেছিল লিথিয়াম-আয়ন; পরবর্তী অধ্যায়টি কি সলিড-স্টেট ব্যাটারি দিয়ে লেখা হবে না তা একটি খোলা প্রকৌশল প্রশ্ন হিসেবে রয়ে গেছে।

ফলাফল: হার্ডওয়্যার বিপ্লব কীভাবে একটি বাজার বিপ্লবকে সম্ভব করল?

বৈদ্যুতিক অটোমোবাইল 1900 সালে বাজারের অংশ ছিল কিন্তু তার ব্যাটারি সেই অংশ ধরে রাখতে পারেনি; GM EV1 একটি পণ্য তৈরি করেছিল কিন্তু তার ব্যাটারি লাভজনকতা বহন করতে পারেনি। লিথিয়াম-আয়ন উভয় সীমা অতিক্রম করেছে: শক্তি ঘনত্ব রেঞ্জ সমাধান করেছে, মূল্য রেখা দাম সমাধান করেছে। Tesla Roadster ছিল এই দুই রেখার সংঘর্ষের প্রথম অটোমোবাইল; আজকের 10 মিলিয়নের ফ্লিট 1991 সালে একটি ক্যামেরা ব্যাটারি দিয়ে শুরু হওয়া শৃঙ্খলের সম্প্রসারণ। হার্ডওয়্যার প্রস্তুত হয়েছিল, বাজার তার পিছু নিয়েছিল - ক্রম এভাবেই ছিল, কখনও উল্টো হয়নি।

সূত্রসমূহ

• টাইমলাইন: বৈদ্যুতিক গাড়ির ইতিহাস
• প্রথম বৈদ্যুতিক গাড়ি: ইভির সংক্ষিপ্ত ইতিহাস, 1830 থেকে বর্তমান পর্যন্ত
• বৈদ্যুতিক যানবাহনের ইতিহাস
• লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি
• লিথিয়াম-আয়নের বাণিজ্যিকীকরণ নিয়ে Sony-র প্রেস বিজ্ঞপ্তি
• লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির উন্নয়নে চার্জ জোগানো
• ব্যাটারির দাম 99% কমেছে
• General Motors EV1
• EV1 বৈদ্যুতিক গাড়ি - ন্যাশনাল মিউজিয়াম অফ আমেরিকান হিস্ট্রি
• ভবিষ্যৎ চালনা, তখন এবং এখন: EV1-এর গল্প
• Tesla Roadster (প্রথম প্রজন্ম)
• Tesla Roadster ব্যাটারির দীর্ঘায়ু
• বৈদ্যুতিক যানবাহনের ব্যাটারি - IEA গ্লোবাল ইভি আউটলুক 2026
• বৈদ্যুতিক যানবাহনের ব্যাটারির দাম