ব্যাটারি ক্যাপাসিটি ডিগ্রেডেশন মেকানিজম কি?
উপাদান কাঠামো পরিবর্তন
বর্তমানে সর্বাধিক ব্যবহৃত ক্যাথোড উপাদানগুলির মধ্যে প্রধানত LiMO2 এর ষড়ভুজ স্তরযুক্ত কাঠামো (যেখানে M=Co, Ni, Mn), LiMn2O4 এর স্পিনেল কাঠামো এবং LiFePO4 এর অলিভিন গঠন অন্তর্ভুক্ত। কাঠামো নির্বিশেষে, যখন লিথিয়াম আয়নগুলি ক্যাথোড থেকে ডিন্টারক্যালেট করে, উপাদানে বৈদ্যুতিক অবস্থা বজায় রাখতে, ধাতব উপাদানটি অনিবার্যভাবে একটি উচ্চতর ভ্যালেন্স অবস্থায় অক্সিডাইজ হয়, যা একটি ফেজ ট্রানজিশন প্রক্রিয়ার সাথে থাকে। ফেজ ট্রানজিশন প্রায়শই ফেজ শিফটের দিকে পরিচালিত করে, তাই লিথিয়াম আয়ন ক্রমাগত উপাদানে ইন্টারক্যালেট এবং ডিন্টারক্যালেট হওয়ার কারণে ফেজ পরিবর্তন চলতে থাকে এবং দীর্ঘমেয়াদে এটি স্ফটিক স্থায়িত্বের জন্য হুমকি হয়ে দাঁড়ায়। অ্যানোডের সাথে তুলনা করে, ফেজ শিফ্ট এবং ক্যাথোড উপাদানের বাল্ক কাঠামোর পরিবর্তনের কারণে অসম বিপরীত ক্ষমতা ব্যাটারি লাইফের উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে। গ্রাফাইটের একটি স্তরযুক্ত কাঠামো রয়েছে। যখন এটি বেশ কয়েকটি স্তর পুরু হয়, তখন ব্যাটারি চার্জ করার সময় লিথিয়াম আয়নগুলি আন্তঃস্তরগুলির মধ্যে আন্তঃপ্রকাশ করে এবং বহিরাগত সার্কিট থেকে পরিবাহিত ইলেকট্রনের সাথে মিলিত হয়ে লিথিয়েটেড গ্রাফাইট তৈরি করে, এবং এই সময়ে আন্তঃস্তর ব্যবধান বৃদ্ধি পায়; ডিসচার্জের সময়, লিথিয়াম আয়নগুলি গ্রাফাইট ইন্টারলেয়ার ছেড়ে বাইরের সার্কিটে ইলেকট্রন ছেড়ে দেয়, একটি ডিইন্টারকেলেশন এবং অক্সিডেশন প্রতিক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায় এবং এই সময়ে ইন্টারলেয়ারের ব্যবধান হ্রাস পায়।
সক্রিয় উপাদান দ্রবীভূত
ক্যাথোড উপাদানের দ্রবীভূতকরণ প্রক্রিয়াটিকে বোঝায় যেখানে ইলেক্ট্রোলাইটে ক্ষয়ের কারণে সক্রিয় উপাদান ধীরে ধীরে হ্রাস পায়। উচ্চ তাপমাত্রায় ক্যাথোড উপাদানের দ্রবীভূত হওয়া ব্যাটারির ক্ষমতা ক্ষয়ের একটি কারণ, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায় ব্যাটারির চক্র কার্যকারিতা এবং স্টোরেজ কর্মক্ষমতার উপর বেশি প্রভাব ফেলে। নির্দিষ্ট অবস্থার অধীনে ট্রানজিশন ধাতুগুলির দ্রবীভূত হওয়া একটি সমস্যা যা সমস্ত LiMO2 ক্যাথোড সামগ্রীতে বিদ্যমান। সক্রিয় উপাদানের দ্রবীভূত হওয়ার ফলে ব্যাটারির কর্মক্ষমতা নষ্ট হওয়ার প্রধান কারণগুলি হল: $\\textcircled{1}$ ধাতব উপাদানগুলির দ্রবীভূত হওয়ার ফলে সরাসরি সক্রিয় উপাদান হ্রাস পায়, যার ফলে ব্যাটারির ক্ষমতা হ্রাস পায়; $\\textcircled{2}$ ক্যাথোড উপাদানের দ্রবীভূতকরণ উপাদান কাঠামোর অবক্ষয় ঘটায় এবং কণার পৃষ্ঠে রাসায়নিকভাবে নিষ্ক্রিয় পদার্থের গঠন ঘটায়, যা ইলেক্ট্রোড উপাদানে লিথিয়াম আয়ন পরিবহনে বাধা দেয়; $\\textcircled{3}$ ইলেক্ট্রোলাইটে থাকা দ্রবীভূত ধাতব আয়নগুলি ইলেক্ট্রোলাইটের অ্যানোডে স্থানান্তরিত হয় এবং কম সম্ভাবনার অধীনে ধাতব বা লবণের আকারে অ্যানোড পৃষ্ঠে জমা হয় এবং এই জমাগুলি অনিবার্যভাবে অ্যানোড পৃষ্ঠের SEI ফিল্মের স্থায়িত্ব এবং বেধকে প্রভাবিত করে, যার ফলে ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠের অভ্যন্তরীণ পোলারাইজেশন বৃদ্ধি পায়। অতএব, ইলেক্ট্রোলাইটের উপর সক্রিয় উপাদান দ্রবীভূত হওয়ার প্রভাব শুধুমাত্র দ্রবীভূত হওয়ার ফলে আসে না বরং ট্রানজিশন ধাতুগুলির দ্রবীভূত হওয়ার ফলে আরও বিরূপ প্রভাব থেকেও আসে।
লিথিয়াম আয়ন খরচ
লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির ডিজাইনে, ব্যাটারির ক্ষমতা সাধারণত ক্যাথোডের চেয়ে সামান্য বেশি হয় এবং ক্যাথোড দ্বারা পুনর্ব্যবহারযোগ্য লিথিয়াম আয়নও দেওয়া হয়। অতএব, ক্যাথোড এবং অ্যানোডের মধ্যে লিথিয়াম আয়নগুলির বিপরীতমুখী আন্তঃকাল এবং ডিইন্টারকালেশন ব্যাটারির ক্ষমতা নির্ধারণ করে। প্রথম চার্জ এবং ডিসচার্জ প্রক্রিয়া চলাকালীন, একটি SEI ফিল্ম অ্যানোড পৃষ্ঠে গঠিত হয়। এই প্যাসিভেশন ফিল্মের প্রধান উপাদান হল বিভিন্ন অজৈব পদার্থ যেমন Li2CO3, LiF, Li2O, LiOH এবং বিভিন্ন জৈব উপাদান যেমন ROCO2Li, ROLi এবং (ROCO2)2Li। এইভাবে, কিছু লিথিয়াম আয়ন গ্রাস করা হয়, এবং এই ক্ষমতা হ্রাস অপরিবর্তনীয়। অ্যানোডের কর্মক্ষমতা SEI ফিল্মের রূপবিদ্যা এবং স্থায়িত্বের সাথে অত্যন্ত সম্পর্কিত, এবং অ্যানোড পৃষ্ঠে একটি স্থিতিশীল SEI ফিল্ম গঠন করার ক্ষমতা ব্যাটারির কর্মক্ষমতার উপর একটি নগণ্য প্রভাব ফেলে। SEI ফিল্মের গঠন ব্যাটারিতে সীমিত লিথিয়াম আয়ন গ্রহণ করে। চক্র চলাকালীন যদি SEI ফিল্ম ক্রমাগত ক্ষতিগ্রস্ত হয়, তাহলে অ্যানোড/ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেসে অক্সিডেশন প্রতিক্রিয়া ক্রমাগতভাবে একটি নতুন SEI ফিল্ম গঠন করবে। এই প্রক্রিয়াটি সিস্টেমে ক্যাথোড দ্বারা প্রদত্ত সীমিত লিথিয়াম আয়নগুলিকে গ্রাস করে এবং সক্রিয় লিথিয়াম আয়নগুলির হ্রাস ক্ষমতা ক্ষয়ের দিকে পরিচালিত করে। ইলেক্ট্রোলাইটে লিথিয়াম আয়ন হ্রাস ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতা হ্রাসের দিকে পরিচালিত করে এবং ক্যাথোড উপাদানে লিথিয়াম আয়ন হ্রাস ব্যাটারির দুটি ইলেক্ট্রোডের মধ্যে ভারসাম্যহীনতা সৃষ্টি করে।
অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের বৃদ্ধি
ব্যাটারির দীর্ঘ-মেয়াদী সাইকেল চালানোর সময়, অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের বৃদ্ধিও ক্ষমতা ক্ষয়ের একটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ। অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের বৃদ্ধির অনেক কারণ রয়েছে, প্রধানত দুটি দিক থেকে: $\\textcircled{1}$ ইলেক্ট্রোলাইটের ইলেক্ট্রোড/ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেসে ঘটতে থাকা অক্সিডেশন প্রতিক্রিয়া ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠের ফিল্ম প্রতিরোধের বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে এবং অ্যানোড SEI ফিল্মের অস্থিরতা, ক্রমাগতভাবে পৃষ্ঠ তৈরির সময় এবং সমস্ত নতুন ফিল্ম তৈরির সময় বৃদ্ধি করে। ব্যাটারি অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের; $\\textcircled{2}$ ক্যাথোডে ধাতব আয়নগুলি ইলেক্ট্রোলাইটে দ্রবীভূত হয় এবং দ্রবীভূত আয়নযুক্ত ধাতব আয়নগুলি ইলেক্ট্রোলাইটের মাধ্যমে অ্যানোডে স্থানান্তরিত হয় এবং ধাতব বা লবণের আকারে অ্যানোড পৃষ্ঠে জমা হয়, যার ফলে ইলেক্ট্রোড পোলারাইজেশন বৃদ্ধি পায়। এছাড়াও, গবেষণায় প্রমাণিত হয়েছে যে বর্তমান সংগ্রাহকের ক্ষয়ও অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করতে পারে, তবে বর্তমান সংগ্রাহকের প্রিট্রিটমেন্টের ভিত্তিতে এই প্রভাব তুলনামূলকভাবে ছোট। অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের বৃদ্ধির ফলে শক্তির ঘনত্ব এবং ক্ষমতা হ্রাস পায়, বিশেষ করে অ্যানোডের জন্য, ইলেক্ট্রোড/ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেসে ঘটতে থাকা প্রতিক্রিয়াই অ্যানোড বার্ধক্যের প্রধান কারণ।
