শীতকালে লিথিয়াম ব্যাটারির ক্ষমতা কমে যায় কেন? অবশেষে, কেউ ব্যাখ্যা করতে পারেন!

শীতকালে লিথিয়াম ব্যাটারির ক্ষমতা কমে যায় কেন? অবশেষে, কেউ ব্যাখ্যা করতে পারেন!

বাজারে প্রবেশের পর থেকে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলি তাদের সুবিধার কারণে ব্যাপকভাবে ব্যবহার করা হয়েছে যেমন দীর্ঘ জীবনকাল, বড় নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং কোনও মেমরি প্রভাব নেই। কম তাপমাত্রায় ব্যবহৃত লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলির কম ক্ষমতা, গুরুতর ক্ষয়, দুর্বল সাইক্লিং কার্যক্ষমতা, স্পষ্ট লিথিয়াম বিবর্তন এবং ভারসাম্যহীন লিথিয়াম অপসারণ এবং সন্নিবেশের মতো সমস্যা রয়েছে। যাইহোক, অ্যাপ্লিকেশন ক্ষেত্রগুলির ক্রমাগত সম্প্রসারণের সাথে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার কারণে সৃষ্ট সীমাবদ্ধতাগুলি ক্রমশ স্পষ্ট হয়ে উঠছে।

রিপোর্ট অনুসারে, -20 ℃-এ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিষ্কাশন ক্ষমতা ঘরের তাপমাত্রার মাত্র 31.5%। ঐতিহ্যবাহী লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি -20~+55 ℃ এর মধ্যে তাপমাত্রায় কাজ করে। যাইহোক, মহাকাশ, সামরিক এবং বৈদ্যুতিক যানবাহনের মতো ক্ষেত্রগুলিতে, ব্যাটারিগুলি সাধারণত -40 ℃-এ কাজ করতে হয়। অতএব, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করা অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা সীমাবদ্ধ করার কারণগুলি

• নিম্ন তাপমাত্রার পরিবেশে, ইলেক্ট্রোলাইটের সান্দ্রতা বৃদ্ধি পায় এবং এমনকি আংশিকভাবে শক্ত হয়ে যায়, যার ফলে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির পরিবাহিতা হ্রাস পায়।
• কম তাপমাত্রার পরিবেশে ইলেক্ট্রোলাইট, নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড এবং বিভাজকের মধ্যে সামঞ্জস্যতা হ্রাস পায়।
• নিম্ন তাপমাত্রার অবস্থার অধীনে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড মারাত্মক লিথিয়াম বৃষ্টিপাত অনুভব করে, এবং প্রস্ফুটিত ধাতু লিথিয়াম ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে বিক্রিয়া করে, ফলে পণ্য জমা হয় যা সলিড-স্টেট ইলেক্ট্রোলাইট ইন্টারফেস (SEI) এর পুরুত্ব বৃদ্ধি করে।
• নিম্ন-তাপমাত্রার পরিবেশে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির সক্রিয় উপাদানের অভ্যন্তরে ডিফিউশন সিস্টেম হ্রাস পায় এবং চার্জ স্থানান্তর প্রতিবন্ধকতা (Rct) উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কার্যকারিতাকে প্রভাবিত করার কারণগুলির উপর আলোচনা

বিশেষজ্ঞের দৃষ্টিভঙ্গি 1: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর ইলেক্ট্রোলাইটের সর্বাধিক প্রভাব রয়েছে এবং ইলেক্ট্রোলাইটের গঠন এবং ভৌত রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলি ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে। কম তাপমাত্রায় ব্যাটারির সাইকেল চালানোর ক্ষেত্রে যে সমস্যাটি হয় তা হল ইলেক্ট্রোলাইটের সান্দ্রতা বৃদ্ধি পাবে, আয়ন পরিবাহনের গতি কমে যাবে, যার ফলে বাহ্যিক সার্কিটের ইলেক্ট্রন স্থানান্তর গতিতে অমিল হবে, যার ফলে ব্যাটারির মারাত্মক মেরুকরণ ঘটবে এবং চার্জ স্রাব ক্ষমতা একটি ধারালো হ্রাস. বিশেষত কম তাপমাত্রায় চার্জ করার সময়, লিথিয়াম আয়নগুলি সহজেই নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠে লিথিয়াম ডেনড্রাইট গঠন করতে পারে, যার ফলে ব্যাটারি ব্যর্থ হয়।

ইলেক্ট্রোলাইটগুলির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতার সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত। উচ্চ পরিবাহিতা পরিবহন আয়ন সহ ইলেক্ট্রোলাইটগুলি দ্রুত এবং কম তাপমাত্রায় আরও ক্ষমতা প্রয়োগ করতে পারে। ইলেক্ট্রোলাইটে যত বেশি লিথিয়াম লবণ বিচ্ছিন্ন হয়, তত বেশি তারা স্থানান্তরিত হয় এবং তাদের পরিবাহিতা তত বেশি। পরিবাহিতা যত বেশি হবে এবং আয়ন পরিবাহনের হার যত দ্রুত হবে, মেরুকরণ তত কম হবে এবং কম তাপমাত্রায় ব্যাটারির কর্মক্ষমতা তত বেশি হবে। অতএব, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির ভাল নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা অর্জনের জন্য উচ্চ পরিবাহিতা একটি প্রয়োজনীয় শর্ত।

ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতা এর গঠনের সাথে সম্পর্কিত, এবং দ্রাবকের সান্দ্রতা হ্রাস করা ইলেক্ট্রোলাইটের পরিবাহিতা উন্নত করার অন্যতম উপায়। কম তাপমাত্রায় দ্রাবকগুলির ভাল প্রবাহযোগ্যতা আয়ন পরিবহনের জন্য একটি গ্যারান্টি, এবং নিম্ন তাপমাত্রায় ঋণাত্মক ইলেক্ট্রোডে ইলেক্ট্রোলাইট দ্বারা গঠিত কঠিন ইলেক্ট্রোলাইট ফিল্মও লিথিয়াম আয়ন পরিবাহকে প্রভাবিত করার একটি মূল কারণ, এবং RSEI হল লিথিয়াম-এর প্রধান প্রতিবন্ধকতা। কম তাপমাত্রার পরিবেশে আয়ন ব্যাটারি।

বিশেষজ্ঞ 2: লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা সীমিত করার প্রধান কারণ হল SEI ঝিল্লির পরিবর্তে কম তাপমাত্রায় দ্রুত বর্ধমান Li+ডিফিউশন প্রতিবন্ধকতা।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণের নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

1. স্তরযুক্ত ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণ নিম্ন তাপমাত্রা বৈশিষ্ট্য

এক-মাত্রিক লিথিয়াম-আয়ন ডিফিউশন চ্যানেল এবং ত্রি-মাত্রিক চ্যানেলগুলির কাঠামোগত স্থায়িত্বের তুলনায় অতুলনীয় হারের কার্যকারিতা সহ স্তরযুক্ত কাঠামো, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য প্রথম দিকের বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ ক্যাথোড উপাদান। এর প্রতিনিধি পদার্থের মধ্যে রয়েছে LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2 এবং Li (Ni, Co, Mn) O2।
Xie Xiaohua et al. গবেষণা অবজেক্ট হিসাবে LiCoO2/MCMB-এর নিম্ন-তাপমাত্রার চার্জিং এবং ডিসচার্জিং বৈশিষ্ট্য পরীক্ষা করা হয়েছে।
ফলাফলগুলি দেখায় যে তাপমাত্রা হ্রাসের সাথে সাথে স্রাব মালভূমি 3.762V (0 ℃) থেকে 3.207V (-30 ℃) পর্যন্ত হ্রাস পায়; মোট ব্যাটারির ক্ষমতা 78.98mA · h (0 ℃) থেকে 68.55mA · h (-30 ℃) এ তীব্রভাবে হ্রাস পেয়েছে।

2. স্পিনেল গঠন ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণ নিম্ন তাপমাত্রা বৈশিষ্ট্য

স্পিনেল স্ট্রাকচার্ড LiMn2O4 ক্যাথোড উপাদানটির Co উপাদানের অনুপস্থিতির কারণে কম খরচে এবং অ-বিষাক্ততার সুবিধা রয়েছে।
যাইহোক, Mn-এর ভেরিয়েবল ভ্যালেন্স স্টেট এবং Mn3+এর জাহন টেলার প্রভাবের ফলে এই উপাদানটির কাঠামোগত অস্থিরতা এবং দুর্বল বিপরীতমুখীতা দেখা দেয়।
পেং জেংশুন এট আল। উল্লেখ করেছেন যে বিভিন্ন প্রস্তুতির পদ্ধতি LiMn2O4 ক্যাথোড উপকরণগুলির বৈদ্যুতিন রাসায়নিক কর্মক্ষমতার উপর দুর্দান্ত প্রভাব ফেলে। একটি উদাহরণ হিসাবে Rct নিন: উচ্চ-তাপমাত্রার কঠিন ফেজ পদ্ধতি দ্বারা সংশ্লেষিত LiMn2O4 এর Rct সল জেল পদ্ধতি দ্বারা সংশ্লেষিত তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, এবং এই ঘটনাটি লিথিয়াম আয়ন বিচ্ছুরণ সহগ-এও প্রতিফলিত হয়। এর প্রধান কারণ হ'ল বিভিন্ন সংশ্লেষণ পদ্ধতি পণ্যগুলির স্ফটিকতা এবং রূপবিদ্যার উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে।

3. ফসফেট সিস্টেম ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণ নিম্ন তাপমাত্রা বৈশিষ্ট্য

LiFePO4, টারনারি উপকরণ সহ, এর চমৎকার ভলিউম স্থিতিশীলতা এবং নিরাপত্তার কারণে পাওয়ার ব্যাটারির জন্য প্রধান ক্যাথোড উপাদান হয়ে উঠেছে। লিথিয়াম আয়রন ফসফেটের নিম্ন তাপমাত্রার কার্যকারিতা প্রধানত কারণ এর উপাদান নিজেই একটি অন্তরক, কম ইলেকট্রনিক পরিবাহিতা, দুর্বল লিথিয়াম আয়ন প্রসারণ এবং নিম্ন তাপমাত্রায় দুর্বল পরিবাহিতা, যা ব্যাটারির অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ায়, মেরুকরণকে ব্যাপকভাবে প্রভাবিত করে, এবং ব্যাটারির চার্জ এবং ডিসচার্জে বাধা দেয়। অতএব, নিম্ন তাপমাত্রা কর্মক্ষমতা আদর্শ নয়।
গু ইজি এট আল। দেখা গেছে যে LiFePO4 এর কুলম্বিক দক্ষতা 55 ℃ এ 100% থেকে 0 ℃ এ 96% এবং -20 ℃ এ 64% এ হ্রাস পেয়েছে, যখন নিম্ন তাপমাত্রায় এর চার্জ নিষ্কাশন আচরণ অধ্যয়ন করা হয়েছে; ডিসচার্জ ভোল্টেজ 55 ℃ এ 3.11V থেকে -20 ℃ এ 2.62V পর্যন্ত কমে যায়।
জিং এট আল। LiFePO4 পরিবর্তন করতে ন্যানো কার্বন ব্যবহার করা হয়েছে এবং পাওয়া গেছে যে ন্যানো কার্বন পরিবাহী এজেন্ট যোগ করার ফলে তাপমাত্রায় LiFePO4 এর ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সের সংবেদনশীলতা কমেছে এবং এর নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা উন্নত হয়েছে; পরিবর্তিত LiFePO4-এর ডিসচার্জ ভোল্টেজ 3.40V থেকে 25 ℃-এ 3.09V-তে -25 ℃-এ কমেছে, মাত্র 9.12% হ্রাস পেয়েছে; এবং এর ব্যাটারির দক্ষতা -25 ℃ এ 57.3%, ন্যানো কার্বন পরিবাহী এজেন্ট ছাড়া 53.4% ​​এর চেয়ে বেশি।
সম্প্রতি, LiMnPO4 মানুষের মধ্যে প্রবল আগ্রহ জাগিয়েছে। গবেষণায় দেখা গেছে যে LiMnPO4 এর সুবিধা রয়েছে যেমন উচ্চ সম্ভাবনা (4.1V), দূষণ নেই, কম দাম এবং বড় নির্দিষ্ট ক্ষমতা (170mAh/g)। যাইহোক, যেহেতু LiMnPO4 এর LiFePO4 থেকে কম আয়নিক পরিবাহিতা রয়েছে, তাই এটি প্রায়শই অনুশীলনে Mn কে আংশিকভাবে Fe দিয়ে প্রতিস্থাপন করে LiMn0.8Fe0.2PO4 সলিড দ্রবণ তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণের নিম্ন তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য

ইতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপকরণের তুলনায়, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড উপাদানগুলির নিম্ন-তাপমাত্রার অবনতি আরও গুরুতর, প্রধানত নিম্নলিখিত তিনটি কারণে:

• কম তাপমাত্রা এবং উচ্চ হারে চার্জিং এবং ডিসচার্জিংয়ের সময়, ব্যাটারি মেরুকরণ তীব্র হয় এবং নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠে প্রচুর পরিমাণে লিথিয়াম ধাতব জমা হয় এবং লিথিয়াম ধাতু এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে প্রতিক্রিয়া পণ্যগুলির সাধারণত পরিবাহিতা থাকে না;
• থার্মোডাইনামিক দৃষ্টিকোণ থেকে, ইলেক্ট্রোলাইটে প্রচুর সংখ্যক মেরু গোষ্ঠী রয়েছে যেমন C-O এবং C-N, যা নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড পদার্থের সাথে প্রতিক্রিয়া করতে পারে, যার ফলে SEI ফিল্মগুলি নিম্ন তাপমাত্রার জন্য বেশি সংবেদনশীল;
• কম তাপমাত্রায় কার্বন নেতিবাচক ইলেক্ট্রোডে লিথিয়াম এম্বেড করা কঠিন, যার ফলে অসমমিত চার্জিং এবং ডিসচার্জিং হয়।

নিম্ন তাপমাত্রা ইলেক্ট্রোলাইট উপর গবেষণা

ইলেক্ট্রোলাইট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে Li+ প্রেরণে ভূমিকা পালন করে এবং এর আয়ন পরিবাহিতা এবং SEI ফিল্ম গঠনের কর্মক্ষমতা ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে। নিম্ন-তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোলাইটের গুণমান বিচার করার জন্য তিনটি প্রধান সূচক রয়েছে: আয়ন পরিবাহিতা, ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল উইন্ডো এবং ইলেক্ট্রোড প্রতিক্রিয়া কার্যকলাপ। এই তিনটি সূচকের স্তর মূলত তাদের উপাদানগুলির উপর নির্ভর করে: দ্রাবক, ইলেক্ট্রোলাইট (লিথিয়াম সল্ট) এবং সংযোজন। অতএব, ইলেক্ট্রোলাইটের বিভিন্ন অংশের নিম্ন-তাপমাত্রার পারফরম্যান্সের অধ্যয়নটি ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা বোঝার এবং উন্নত করার জন্য অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ।

• চেইন কার্বনেটের তুলনায়, ইসি ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইটগুলির একটি কমপ্যাক্ট গঠন, উচ্চ বল এবং উচ্চ গলনাঙ্ক এবং সান্দ্রতা রয়েছে। যাইহোক, বৃত্তাকার কাঠামোর দ্বারা আনা বৃহৎ মেরুত্ব প্রায়শই একটি বড় অস্তরক ধ্রুবকের দিকে পরিচালিত করে। উচ্চ অস্তরক ধ্রুবক, উচ্চ আয়নিক পরিবাহিতা, এবং EC দ্রাবকগুলির চমৎকার ফিল্ম-গঠন কার্যকারিতা কার্যকরভাবে দ্রাবক অণুর সহ সন্নিবেশ রোধ করে, তাদের অপরিহার্য করে তোলে। অতএব, সর্বাধিক ব্যবহৃত নিম্ন-তাপমাত্রার ইলেক্ট্রোলাইট সিস্টেমগুলি ইসির উপর ভিত্তি করে এবং কম গলনাঙ্কের ছোট অণু দ্রাবকের সাথে মিশ্রিত হয়।
• 
  
• লিথিয়াম লবণ ইলেক্ট্রোলাইটের একটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান। ইলেক্ট্রোলাইটে থাকা লিথিয়াম সল্ট শুধুমাত্র দ্রবণের আয়নিক পরিবাহিতাকে উন্নত করতে পারে না, কিন্তু দ্রবণে Li+এর বিচ্ছুরণ দূরত্বও কমাতে পারে। সাধারণভাবে বলতে গেলে, একটি দ্রবণে Li+এর ঘনত্ব যত বেশি হবে, এর আয়নিক পরিবাহিতা তত বেশি হবে। যাইহোক, ইলেক্ট্রোলাইটে লিথিয়াম আয়নগুলির ঘনত্ব লিথিয়াম লবণের ঘনত্বের সাথে রৈখিকভাবে সম্পর্কযুক্ত নয়, বরং একটি প্যারাবোলিক আকারে। এর কারণ হল দ্রাবকের মধ্যে লিথিয়াম আয়নের ঘনত্ব নির্ভর করে দ্রাবকের মধ্যে লিথিয়াম লবণের বিচ্ছেদ এবং সংযোগের শক্তির উপর।

ব্যাটারি কম্পোজিশনের পাশাপাশি, ব্যবহারিক ক্রিয়াকলাপের প্রক্রিয়ার কারণগুলিও ব্যাটারির কার্যক্ষমতার উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলতে পারে।

(1) প্রস্তুতি প্রক্রিয়া। ইয়াকুব প্রমুখ। LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/গ্রাফাইট ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার পারফরম্যান্সের উপর ইলেক্ট্রোড লোড এবং আবরণ পুরুত্বের প্রভাবগুলি অধ্যয়ন করে এবং দেখেছে যে ক্ষমতা ধরে রাখার ক্ষেত্রে, ইলেক্ট্রোড লোড যত ছোট হবে, আবরণ স্তর তত পাতলা হবে এবং আরও ভাল হবে। এর নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা।

(2) চার্জিং এবং ডিসচার্জিং অবস্থা। Petzl et al. ব্যাটারির সাইকেল লাইফের উপর কম-তাপমাত্রার চার্জিং এবং ডিসচার্জিং অবস্থার প্রভাব অধ্যয়ন করে এবং দেখা গেছে যে যখন স্রাবের গভীরতা বড় হয়, তখন এটি উল্লেখযোগ্য ক্ষমতা হ্রাস করে এবং চক্রের আয়ু কমিয়ে দেয়।

(3) অন্যান্য কারণ। পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল, ছিদ্রের আকার, ইলেক্ট্রোডের ঘনত্ব, ইলেক্ট্রোড এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে ভেজাতা এবং ইলেক্ট্রোডের বিভাজক সবই লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে। উপরন্তু, ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতার উপর উপকরণ এবং প্রক্রিয়াগুলির ত্রুটির প্রভাব উপেক্ষা করা যায় না।

সারসংক্ষেপ

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির নিম্ন-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা নিশ্চিত করতে, নিম্নলিখিতগুলি করা প্রয়োজন:

(1) একটি পাতলা এবং ঘন SEI ফিল্ম গঠন;

(2) নিশ্চিত করুন যে সক্রিয় পদার্থে Li+এর একটি বৃহৎ প্রসারণ সহগ রয়েছে;

(3) কম তাপমাত্রায় ইলেক্ট্রোলাইটের উচ্চ আয়নিক পরিবাহিতা থাকে।

এছাড়াও, গবেষণা নতুন উপায়গুলিও অন্বেষণ করতে পারে এবং অন্য ধরণের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির উপর ফোকাস করতে পারে - সমস্ত সলিড-স্টেট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি। প্রচলিত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির তুলনায়, সমস্ত সলিড-স্টেট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, বিশেষ করে সমস্ত সলিড-স্টেট পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি, কম তাপমাত্রায় ব্যবহৃত ব্যাটারির ক্ষমতা হ্রাস এবং সাইক্লিং নিরাপত্তা সংক্রান্ত সমস্যাগুলি সম্পূর্ণরূপে সমাধান করবে বলে আশা করা হচ্ছে।