বর্তমান লিথিয়াম-ভিত্তিক ব্যাটারিগুলি ইন্টারক্যালেশনের উপর ভিত্তি করে – লিথিয়াম আয়নগুলি গ্রাফাইটের মতো ইলেক্ট্রোড পদার্থের মধ্যে শূন্যস্থানে চেপে যায়। ফলস্বরূপ, ব্যাটারির বেশিরভাগ ভলিউম এবং বাল্ক এমন জিনিসগুলির জন্য উত্সর্গীকৃত যা ইলেক্ট্রোডগুলির মধ্যে চার্জ বহনে অবদান রাখে না, যা এই প্রযুক্তিগুলি যে ধরণের শক্তির ঘনত্বে পৌঁছাতে পারে তার একটি সীমা নির্ধারণ করে।

ফলস্বরূপ, এই ইলেক্ট্রোড উপাদানগুলির মধ্যে একটি থেকে পরিত্রাণ পাওয়ার উপায় খুঁজে বের করার জন্য অনেক গবেষণা হয়েছে। লোকেরা বিভিন্ন উপকরণের সাথে লিথিয়াম-ধাতুর ইলেক্ট্রোড যুক্ত করার চেষ্টা করেছে, যখন অন্যান্য প্রচেষ্টা ইলেক্ট্রোড ব্যবহার করার চেষ্টা করেছে যেখানে লিথিয়াম বাতাসের সাথে প্রতিক্রিয়া করে লিথিয়াম-অক্সিজেন যৌগ তৈরি করে। যদিও এগুলি কিছু ব্যবস্থা দ্বারা কাজ করেছিল, তাদের মধ্যে এমন সমস্যা ছিল যা তাদের দরকারী জীবনকালকে মারাত্মকভাবে ছোট করে।

কিন্তু সাম্প্রতিক একটি কাগজ এমন একটি ব্যাটারি বর্ণনা করে যা একটি ইলেক্ট্রোডে লিথিয়াম ধাতু এবং দ্বিতীয়টির জন্য লিথিয়াম বায়ু ব্যবহার করে। কিছু ব্যবস্থার মাধ্যমে, ব্যাটারির 1,000 টিরও বেশি চার্জ/ডিসচার্জ চক্রের শালীন কর্মক্ষমতা রয়েছে।

অনেক সমস্যা

লিথিয়াম ধাতুর সমস্যাগুলি বেশ ভালভাবে বর্ণনা করা হয়েছে: ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠ জুড়ে সমানভাবে লিথিয়াম জমা করা খুব কঠিন। বারবার চার্জ/ডিসচার্জ চক্রে, সূক্ষ্ম অনিয়ম হিসাবে শুরু হওয়া জিনিসগুলি ডেনড্রাইট নামক মেরুদণ্ডে পরিণত হয় যা লিথিয়াম চার্জ বহন করার জন্য ছেড়ে যায় না; অবশেষে, মেরুদণ্ড বৃদ্ধি পায় যতক্ষণ না তারা সিস্টেমটি ছোট করে। সমাধানটি সাধারণত ইলেক্ট্রোলাইটগুলির পরিবর্তন বলে মনে করা হয় যা লিথিয়াম আয়নগুলি ইলেক্ট্রোডের মধ্যে চলাফেরা করে। অন্তত একটি কোম্পানি বলেছে যে এটি একটি ইলেক্ট্রোলাইট তৈরি করেছে যা লিথিয়াম-ধাতু ব্যাটারিগুলিকে অনেকগুলি বর্তমান প্রযুক্তির মতো কাজ করতে দেয়।

লিথিয়াম-এয়ার ইলেক্ট্রোডের সমস্যাগুলি খুব আলাদা এবং বিস্তৃত। ইলেক্ট্রোডের জন্য সহায়ক উপাদানটি যথেষ্ট ছিদ্রযুক্ত হওয়া দরকার যাতে বাতাসকে লিথিয়ামের সাথে মিলিত হতে দেয় এবং অনেক চক্র ধরে সেভাবেই থাকে। এটি যে প্রতিক্রিয়াগুলি পরিচালনা করে তাকে বায়ুমণ্ডলের অন্যান্য পদার্থের সাথে প্রতিক্রিয়া এড়াতে হবে, যেমন জলীয় বাষ্প, যা ইলেক্ট্রোডে লিথিয়ামকে স্থায়ীভাবে আটকে রাখতে পারে। এবং অবশেষে, ইলেক্ট্রোডকে লিথিয়াম অক্সাইড এবং পারক্সাইডের একটি সম্ভাব্য জটিল মিশ্রণ পরিচালনা করতে হবে যা অক্সিজেনের সাথে প্রতিক্রিয়ার সময় গঠন করতে পারে। অনেক ক্ষেত্রে, এই সমস্যাগুলি এতটাই খারাপ হয়েছে যে কয়েক ডজন চক্রের পর টেস্ট লিথিয়াম-এয়ার ব্যাটারি মারা গেছে।

এটা স্পষ্ট নয় যে এই সমস্যার জন্য একক সমাধান আছে। এবং, লিথিয়াম-মেটাল কাউন্টার-ইলেকট্রোডের বিপরীতে, এটি স্পষ্ট নয় যে একটি ভিন্ন ইলেক্ট্রোলাইট একটি সমাধানে উল্লেখযোগ্যভাবে অবদান রাখবে।

তাই এটি কিছুটা আশ্চর্যজনক যে এই নতুন কাজের ইলেক্ট্রোলাইট অক্সিজেনের সাথে প্রতিক্রিয়াগুলি পরিচালনা করতে সহায়তা করে। এবং এটি একটি লিথিয়াম-ধাতু ইলেক্ট্রোডকে কার্যকর রাখতে সাহায্য করেছে। তবে নতুন ব্যাটারি ডিজাইনের সাথে এটিই চলছে না।

কন্ডাক্টর এবং অনুঘটক

এই ব্যাটারিটি কেন কাজ করছে তা বোঝার জন্য মূলত দুটি গল্প প্রয়োজন। আমরা লিথিয়াম-এয়ার ইলেক্ট্রোড দিয়ে শুরু করব, যার দুটি উপাদান রয়েছে। প্রথমটি একটি জল-প্রতিরোধকারী উপাদান দিয়ে তৈরি একটি ছিদ্রযুক্ত ম্যাট্রিক্স। এর মধ্যে একটি অনুঘটকের ন্যানো পার্টিকেলগুলি এমবেড করা আছে যা গবেষণা গোষ্ঠীর দীর্ঘ ইতিহাস রয়েছে, ট্রাই-মলিবডেনাম ফসফাইড (মো3পি)। তারা দেখতে লাগলো 2019 সালে এটি হাইড্রোজেন উত্পাদন করার জন্য জল বিভক্ত করার জন্য একটি ভাল বিকল্প হতে পারে, কারণ মলিবডেনাম তুলনামূলকভাবে সস্তা। এক বছর পরে, তারা বিবেচনা করে লিথিয়াম-এয়ার ব্যাটারিতে এটি ব্যবহার করাযার জন্য অক্সিজেন পরমাণুর মধ্যে বন্ধন পুনর্বিন্যাস করা প্রয়োজন।

সেই সময়ে, মো3P ব্যতিক্রমী সহনশীলতা দেখিয়েছে, 1,200 টিরও বেশি চার্জ/ডিসচার্জ চক্রের জন্য কার্যকর থাকে। কিন্তু শক্তি দক্ষতা সব যে মহান ছিল না. এর জন্য, দৃশ্যত, তাদের আরও ভাল ইলেক্ট্রোলাইট প্রয়োজন।

তারা যে ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে কাজ করেছিল তা ব্যাটারিগুলি যে তাপমাত্রায় কাজ করবে সেখানে একটি কঠিন। একটি কঠিন পদার্থ কল্পনা করা কঠিন হতে পারে যা আয়নকে এর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হতে দেয়। কিন্তু আয়নগুলিকে অতিক্রম করার জন্য যথেষ্ট বড় অভ্যন্তরীণ চ্যানেলগুলির সাথে বেশ কয়েকটি কঠিন পদার্থ তৈরি করা হয়েছে। এই চ্যানেলগুলির অভ্যন্তরে এমন সাইট রয়েছে যেগুলির সাথে আয়নগুলি ইন্টারঅ্যাক্ট করতে পারে, যা আয়নগুলিকে ট্রানজিট করার সময় একটি স্থিতিশীল অবস্থান থেকে অন্য স্থানে ছোট হপ তৈরি করতে দেয়। অবশেষে, চ্যানেলগুলির ঘনত্ব নিশ্চিত করতে পারে যে নতুন আগত আয়নগুলি একটি ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠ জুড়ে তুলনামূলকভাবে সমানভাবে ছড়িয়ে পড়ে, লিথিয়াম ধাতুতে ডেনড্রাইট গঠনের মতো সমস্যাগুলি এড়িয়ে যায়।

এই ক্ষেত্রে, এটির একটি অতিরিক্ত সুবিধা রয়েছে: এটি লিথিয়াম-এয়ার ইলেক্ট্রোডকে বাতাসের সংস্পর্শে রাখে। গবেষকরা যখন তরল ইলেক্ট্রোলাইটে একই ইলেক্ট্রোড উপকরণগুলি চেষ্টা করেছিলেন, তখন লিথিয়াম-এয়ার ইলেক্ট্রোডে ঘটে যাওয়া রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলি আংশিকভাবে সম্পূর্ণ হয়েছিল।

ইলেক্ট্রোলাইটের শক্ত অংশটি কার্বন-ভিত্তিক তবে এতে প্রচুর অক্সিজেন এবং সিলিকন পরমাণু রয়েছে যা কার্বন মেরুদণ্ডের সাথে যুক্ত। এই মেরু পরমাণুগুলি লিথিয়াম আয়নগুলিকে এমন কিছু সরবরাহ করতে সহায়তা করে যার সাথে তারা যোগাযোগ করতে পেরে খুশি। ন্যানো পার্টিকেলগুলি ইলেক্ট্রোডগুলির মধ্যে ভ্রমণে একটি পথ স্টেশনের মতো কাজ করে। তারা লি দ্বারা গঠিত10জিইপি2এস12, লিথিয়াম এবং পরমাণু উভয় সহ একটি উপাদান যা লিথিয়ামের সাথে যোগাযোগ করতে পছন্দ করে। এটি নিশ্চিত করে যে ব্যাটারি ব্যবহার না করা সত্ত্বেও ইলেক্ট্রোলাইট লিথিয়াম আয়ন দিয়ে পূর্ণ হয়, তাই ব্যাটারিটি সক্রিয় হওয়ার পরে চার্জ প্রবাহিত হতে পারে।