হংকং সিটিইউ ইইএস: নমনীয় লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি মানুষের জয়েন্টগুলি দ্বারা অনুপ্রাণিত

গবেষণা ব্যাকগ্রাউন্ড

ইলেকট্রনিক পণ্যের ক্রমবর্ধমান চাহিদা সাম্প্রতিক বছরগুলিতে নমনীয় এবং উচ্চ-শক্তি-ঘনত্বের স্টোরেজ ডিভাইসগুলির দ্রুত বিকাশকে উন্নীত করেছে। নমনীয় লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি উচ্চ শক্তির ঘনত্ব এবং স্থিতিশীল ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্স সহ (LIBs) পরিধানযোগ্য ইলেকট্রনিক পণ্যগুলির জন্য সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিশীল ব্যাটারি প্রযুক্তি হিসাবে বিবেচিত হয়। যদিও পাতলা-ফিল্ম ইলেক্ট্রোড এবং পলিমার-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোডের ব্যবহার নাটকীয়ভাবে LIB-এর নমনীয়তা উন্নত করে, নিম্নলিখিত সমস্যাগুলি রয়েছে:

(1) বেশিরভাগ নমনীয় ব্যাটারি "নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড-সেপারেটর-পজিটিভ ইলেক্ট্রোড" দ্বারা স্ট্যাক করা হয় এবং তাদের সীমিত বিকৃতি এবং মাল্টিলেয়ার স্ট্যাকের মধ্যে স্লিপেজ LIB-এর সামগ্রিক কর্মক্ষমতা সীমাবদ্ধ করে;

(2) আরও কিছু গুরুতর অবস্থার অধীনে, যেমন ভাঁজ করা, প্রসারিত করা, ঘুরানো, এবং জটিল বিকৃতি, এটি ব্যাটারির কর্মক্ষমতা গ্যারান্টি দিতে পারে না;

(3) নকশা কৌশলের অংশ বর্তমান ধাতু সংগ্রাহকের বিকৃতি উপেক্ষা করে।

অতএব, একই সাথে এর সামান্য বাঁকানো কোণ, একাধিক বিকৃতি মোড, উচ্চতর যান্ত্রিক স্থায়িত্ব এবং উচ্চ শক্তির ঘনত্ব অর্জন করা এখনও অনেক চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি।

ভূমিকা

সম্প্রতি, হংকংয়ের সিটি ইউনিভার্সিটির অধ্যাপক চুনি ঝি এবং ডক্টর কুইপিং হান এনার্জি এনভায়রনে "বেন্ডেবল/ফোল্ডেবল/স্ট্রেচেবল/টুইস্টেবল ব্যাটারির জন্য মানব যুগ্ম অনুপ্রাণিত স্ট্রাকচারাল ডিজাইন: অ্যাচিভিং মাল্টিপল ডিফর্মবিলিটি" শিরোনামের একটি গবেষণাপত্র প্রকাশ করেছেন। বিজ্ঞান এই কাজটি মানুষের জয়েন্টগুলির গঠন দ্বারা অনুপ্রাণিত হয়েছিল এবং যৌথ সিস্টেমের মতো এক ধরণের নমনীয় LIB ডিজাইন করেছিল। এই অভিনব ডিজাইনের উপর ভিত্তি করে, প্রস্তুত, নমনীয় ব্যাটারি উচ্চ শক্তির ঘনত্ব অর্জন করতে পারে এবং বাঁকানো বা এমনকি 180° এ ভাঁজ করা যায়। একই সময়ে, বিভিন্ন ঘূর্ণন পদ্ধতির মাধ্যমে কাঠামোগত কাঠামো পরিবর্তন করা যেতে পারে যাতে নমনীয় LIB-এর সমৃদ্ধ বিকৃতি ক্ষমতা থাকে, আরও গুরুতর এবং জটিল বিকৃতিতে প্রয়োগ করা যেতে পারে (ওয়াইন্ডিং এবং টুইস্টিং), এবং এমনকি প্রসারিত করা যেতে পারে, এবং তাদের বিকৃতি ক্ষমতা। নমনীয় LIB-এর পূর্ববর্তী প্রতিবেদনের অনেক বেশি। সসীম উপাদান সিমুলেশন বিশ্লেষণ নিশ্চিত করেছে যে এই কাগজে ডিজাইন করা ব্যাটারিটি বিভিন্ন কঠোর এবং জটিল বিকৃতির অধীনে বর্তমান ধাতু সংগ্রাহকের অপরিবর্তনীয় প্লাস্টিক বিকৃতির মধ্য দিয়ে যাবে না। একই সময়ে, একত্রিত বর্গাকার ইউনিট ব্যাটারি 371.9 Wh/L পর্যন্ত শক্তির ঘনত্ব অর্জন করতে পারে, যা ঐতিহ্যগত নরম প্যাক ব্যাটারির 92.9%। এছাড়াও, এটি 200,000 বারের বেশি গতিশীল নমন এবং 25,000 বার গতিশীল বিকৃতির পরেও স্থিতিশীল চক্র কার্যকারিতা বজায় রাখতে পারে।

আরও গবেষণা দেখায় যে একত্রিত নলাকার ইউনিট কোষ আরও গুরুতর এবং জটিল বিকৃতি সহ্য করতে পারে। 100,000-এরও বেশি গতিশীল স্ট্রেচিং, 20,000 বাঁক এবং 100,000 নমন বিকৃতির পরে, এটি এখনও 88%-ধারণ হারের বেশি উচ্চ ক্ষমতা অর্জন করতে পারে। অতএব, এই কাগজে প্রস্তাবিত নমনীয় LIBs পরিধানযোগ্য ইলেকট্রনিক্সে ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য একটি বিশাল সম্ভাবনা প্রদান করে।

গবেষণা হাইলাইট

1) নমনীয় LIBs, মানুষের জয়েন্টগুলি দ্বারা অনুপ্রাণিত, বাঁকানো, মোচড়ানো, প্রসারিত করা এবং ঘোরা বিকৃতির অধীনে স্থিতিশীল চক্র কার্যকারিতা বজায় রাখতে পারে;

(2) একটি বর্গাকার নমনীয় ব্যাটারির সাথে, এটি 371.9 Wh/L পর্যন্ত শক্তির ঘনত্ব অর্জন করতে পারে, যা ঐতিহ্যগত সফট-প্যাক ব্যাটারির 92.9%;

(3) বিভিন্ন উইন্ডিং পদ্ধতি ব্যাটারি স্ট্যাকের আকৃতি পরিবর্তন করতে পারে এবং ব্যাটারিকে পর্যাপ্ত বিকৃতি দিতে পারে।

গ্রাফিক গাইড

গবেষণায় দেখা গেছে যে, উচ্চ আয়তনের শক্তির ঘনত্ব এবং আরও জটিল বিকৃতি নিশ্চিত করার পাশাপাশি, কাঠামোগত নকশাকে বর্তমান সংগ্রাহকের প্লাস্টিকের বিকৃতি এড়াতে হবে। সসীম উপাদান সিমুলেশন দেখায় যে বর্তমান সংগ্রাহকের সর্বোত্তম পদ্ধতি হল বর্তমান সংগ্রাহকের প্লাস্টিক বিকৃতি এবং বর্তমান সংগ্রাহকের অপরিবর্তনীয় ক্ষতি এড়াতে নমন প্রক্রিয়া চলাকালীন একটি ছোট নমন ব্যাসার্ধ থাকা থেকে রোধ করা।

চিত্র 1a মানুষের জয়েন্টগুলির গঠন দেখায়, যেখানে চতুরভাবে বড় বাঁকা পৃষ্ঠের নকশা জয়েন্টগুলিকে মসৃণভাবে ঘোরাতে সাহায্য করে। এর উপর ভিত্তি করে, চিত্র 1b একটি সাধারণ গ্রাফাইট অ্যানোড/ডায়াফ্রাম/লিথিয়াম কোবাল্টেট (LCO) অ্যানোড দেখায়, যা একটি বর্গাকার পুরু স্ট্যাকের কাঠামোতে ক্ষতবিক্ষত হতে পারে। জংশনে, এটি দুটি পুরু অনমনীয় স্ট্যাক এবং একটি নমনীয় অংশ নিয়ে গঠিত। আরও গুরুত্বপূর্ণ, মোটা স্ট্যাকের যৌথ হাড়ের আবরণের সমতুল্য একটি বাঁকা পৃষ্ঠ রয়েছে, যা বাফার চাপে সাহায্য করে এবং নমনীয় ব্যাটারির প্রাথমিক ক্ষমতা প্রদান করে। স্থিতিস্থাপক অংশটি একটি লিগামেন্ট হিসাবে কাজ করে, পুরু স্ট্যাকগুলিকে সংযুক্ত করে এবং নমনীয়তা প্রদান করে (চিত্র 1c)। একটি বর্গাকার স্তূপে ঘুরার পাশাপাশি, নলাকার বা ত্রিভুজাকার কোষযুক্ত ব্যাটারিগুলিও ঘুরানোর পদ্ধতি পরিবর্তন করে তৈরি করা যেতে পারে (চিত্র 1d)। বর্গক্ষেত্র শক্তি সঞ্চয় ইউনিট সহ নমনীয় LIB-এর জন্য, আন্তঃসংযুক্ত অংশগুলি নমন প্রক্রিয়ার (চিত্র 1e) সময় পুরু স্ট্যাকের চাপ-আকৃতির পৃষ্ঠ বরাবর ঘুরবে, যার ফলে নমনীয় ব্যাটারির শক্তি ঘনত্ব উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পাবে। উপরন্তু, ইলাস্টিক পলিমার এনক্যাপসুলেশনের মাধ্যমে, নলাকার একক সহ নমনীয় LIBগুলি প্রসারিত এবং নমনীয় বৈশিষ্ট্যগুলি অর্জন করতে পারে (চিত্র 1f)।

চিত্র 1 (ক) অনন্য লিগামেন্ট সংযোগ এবং বাঁকা পৃষ্ঠের নকশা নমনীয়তা অর্জনের জন্য অপরিহার্য; (b) নমনীয় ব্যাটারি কাঠামো এবং উত্পাদন প্রক্রিয়ার পরিকল্পিত চিত্র; (c) হাড় মোটা ইলেক্ট্রোড স্ট্যাকের সাথে মিলে যায়, এবং লিগামেন্ট আনরোলডের সাথে মিলে যায় (D) নলাকার এবং ত্রিভুজাকার কোষ সহ নমনীয় ব্যাটারি কাঠামো; (ঙ) বর্গাকার কোষের স্কিম্যাটিক ডায়াগ্রাম স্ট্যাক করা; (f) নলাকার কোষের স্ট্রেচিং বিকৃতি।

যান্ত্রিক সিমুলেশন বিশ্লেষণের আরও ব্যবহার নমনীয় ব্যাটারি কাঠামোর স্থায়িত্ব নিশ্চিত করেছে। চিত্র 2a একটি সিলিন্ডারে (180° রেডিয়ান) বাঁকানোর সময় তামা এবং অ্যালুমিনিয়াম ফয়েলের চাপ বিতরণ দেখায়। ফলাফলগুলি দেখায় যে তামা এবং অ্যালুমিনিয়াম ফয়েলের চাপ তাদের ফলন শক্তির তুলনায় অনেক কম, ইঙ্গিত করে যে এই বিকৃতি প্লাস্টিকের বিকৃতি ঘটাবে না। বর্তমান ধাতু সংগ্রাহক অপরিবর্তনীয় ক্ষতি এড়াতে পারে।

চিত্র 2b স্ট্রেস ডিস্ট্রিবিউশন দেখায় যখন নমনের মাত্রা আরও বৃদ্ধি পায়, এবং তামার ফয়েল এবং অ্যালুমিনিয়াম ফয়েলের চাপ তাদের সংশ্লিষ্ট ফলন শক্তির চেয়েও কম। অতএব, ভাল স্থায়িত্ব বজায় রাখার সময় কাঠামো ভাঁজ বিকৃতি সহ্য করতে পারে। বাঁকানো বিকৃতি ছাড়াও, সিস্টেমটি একটি নির্দিষ্ট মাত্রার বিকৃতি অর্জন করতে পারে (চিত্র 2c)।

নলাকার ইউনিট সহ ব্যাটারির জন্য, বৃত্তের অন্তর্নিহিত বৈশিষ্ট্যগুলির কারণে, এটি আরও গুরুতর এবং জটিল বিকৃতি অর্জন করতে পারে। অতএব, যখন ব্যাটারিটি 180o (চিত্র 2d, e) তে ভাঁজ করা হয়, তখন মূল দৈর্ঘ্যের প্রায় 140% পর্যন্ত প্রসারিত হয় (চিত্র 2f), এবং 90o (চিত্র 2g) এ পেঁচানো হয়, এটি যান্ত্রিক স্থিতিশীলতা বজায় রাখতে পারে। উপরন্তু, যখন বাঁক + মোচড় এবং ঘূর্ণায়মান বিকৃতি আলাদাভাবে প্রয়োগ করা হয়, ডিজাইন করা LIBs কাঠামো বিভিন্ন গুরুতর এবং জটিল বিকৃতির অধীনে বর্তমান ধাতব সংগ্রাহকের অপরিবর্তনীয় প্লাস্টিক বিকৃতি ঘটাবে না।

চিত্র 2 (ac) বাঁকানো, ভাঁজ করা এবং মোচড়ানোর অধীনে একটি বর্গাকার কোষের সসীম উপাদান সিমুলেশন ফলাফল; (di) বাঁকানো, ভাঁজ করা, প্রসারিত করা, মোচড়ানো, বাঁকানো + মোচড়ানো এবং ঘুরানোর অধীনে একটি নলাকার কোষের সসীম উপাদান সিমুলেশন ফলাফল।

পরিকল্পিত নমনীয় ব্যাটারির বৈদ্যুতিক রাসায়নিক কর্মক্ষমতা মূল্যায়ন করতে, LiCoO2 কে ক্যাথোড উপাদান হিসাবে ব্যবহার করা হয়েছিল স্রাব ক্ষমতা এবং চক্রের স্থায়িত্ব পরীক্ষা করার জন্য। চিত্র 3a তে দেখানো হয়েছে, প্লেনটি বাঁকানো, রিং, ভাঁজ করা এবং 1 C ম্যাগনিফিকেশনে বাঁকানোর জন্য বিকৃত হওয়ার পরে বর্গাকার কোষ সহ ব্যাটারির ডিসচার্জ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায় না, যার মানে যান্ত্রিক বিকৃতি ডিজাইনের কারণ হবে না। নমনীয় ব্যাটারি ইলেক্ট্রোকেমিকভাবে কর্মক্ষমতা ড্রপ হতে হবে. এমনকি গতিশীল নমন (চিত্র 3c, d) এবং গতিশীল টরশন (চিত্র 3e, f), এবং একটি নির্দিষ্ট সংখ্যক চক্রের পরেও, চার্জিং এবং ডিসচার্জিং প্ল্যাটফর্ম এবং দীর্ঘ-চক্রের কার্যক্ষমতার কোনও আপাত পরিবর্তন নেই, যার অর্থ হল অভ্যন্তরীণ কাঠামো ব্যাটারি ভাল সুরক্ষিত.

চিত্র 3 (ক) 1C এর অধীনে বর্গাকার ইউনিট ব্যাটারির চার্জ এবং ডিসচার্জ পরীক্ষা; (b) বিভিন্ন অবস্থার অধীনে চার্জ এবং স্রাব বক্ররেখা; (c, d) গতিশীল নমনের অধীনে, ব্যাটারি চক্রের কর্মক্ষমতা এবং সংশ্লিষ্ট চার্জ এবং ডিসচার্জ কার্ভ; (e, f) গতিশীল টরশনের অধীনে, ব্যাটারির চক্রের কার্যক্ষমতা এবং বিভিন্ন চক্রের অধীনে সংশ্লিষ্ট চার্জ-ডিসচার্জ কার্ভ।

সিমুলেশন বিশ্লেষণের ফলাফলগুলি দেখায় যে বৃত্তের অন্তর্নিহিত বৈশিষ্ট্যগুলির জন্য ধন্যবাদ, নলাকার উপাদান সহ নমনীয় LIBগুলি আরও চরম এবং জটিল বিকৃতি সহ্য করতে পারে। অতএব, নলাকার ইউনিটের নমনীয় LIB-এর ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্স প্রদর্শনের জন্য, পরীক্ষাটি 1 সি হারে করা হয়েছিল, যা দেখায় যে যখন ব্যাটারি বিভিন্ন বিকৃতির মধ্য দিয়ে যায়, তখন ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্সে প্রায় কোনও পরিবর্তন হয় না। বিকৃতির কারণে ভোল্টেজ বক্ররেখা পরিবর্তন হবে না (চিত্র 4a, b)।

নলাকার ব্যাটারির বৈদ্যুতিক রাসায়নিক স্থায়িত্ব এবং যান্ত্রিক স্থায়িত্বের আরও মূল্যায়ন করার জন্য, এটি ব্যাটারিটিকে 1 সি হারে একটি গতিশীল স্বয়ংক্রিয় লোড পরীক্ষার অধীন করে। গবেষণা দেখায় যে গতিশীল স্ট্রেচিংয়ের পরে (চিত্র 4c, d), গতিশীল টর্শন (চিত্র 4e) , এবং গতিশীল নমন + টর্শন (চিত্র 4g, h), ব্যাটারির চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের কার্যকারিতা এবং সংশ্লিষ্ট ভোল্টেজ বক্ররেখা প্রভাবিত হয় না। চিত্র 4i একটি রঙিন শক্তি স্টোরেজ ইউনিট সহ একটি ব্যাটারির কার্যকারিতা দেখায়। স্রাব ক্ষমতা 133.3 mAm g-1 থেকে 129.9 mAh g-1 পর্যন্ত ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এবং প্রতি চক্রের ক্ষমতা হ্রাস মাত্র 0.04%, ইঙ্গিত করে যে বিকৃতিটি চক্রের স্থায়িত্ব এবং নিষ্কাশন ক্ষমতাকে প্রভাবিত করবে না।

চিত্র 4 (ক) 1 সি-তে নলাকার কোষের বিভিন্ন কনফিগারেশনের চার্জ এবং স্রাব চক্র পরীক্ষা; (b) বিভিন্ন অবস্থার অধীনে ব্যাটারির সংশ্লিষ্ট চার্জ এবং ডিসচার্জ কার্ভ; (c, d) ডাইনামিক টেনশন ডিসচার্জ কার্ভের অধীনে ব্যাটারির সাইকেল পারফরম্যান্স এবং চার্জ; (ই, চ) গতিশীল টরশনের অধীনে ব্যাটারির চক্র কার্যক্ষমতা এবং বিভিন্ন চক্রের অধীনে সংশ্লিষ্ট চার্জ-ডিসচার্জ কার্ভ; (g, h) গতিশীল নমন + টরশনের অধীনে ব্যাটারির চক্র কার্যক্ষমতা এবং বিভিন্ন চক্রের অধীনে সংশ্লিষ্ট চার্জ-ডিসচার্জ কার্ভ; (I) 1 C-তে বিভিন্ন কনফিগারেশন সহ প্রিজম্যাটিক ইউনিট ব্যাটারির চার্জ এবং ডিসচার্জ পরীক্ষা।

বাস্তবে বিকশিত নমনীয় ব্যাটারির প্রয়োগের মূল্যায়ন করার জন্য, লেখক কিছু বাণিজ্যিক ইলেকট্রনিক পণ্য, যেমন ইয়ারফোন, স্মার্টওয়াচ, মিনি বৈদ্যুতিক পাখা, প্রসাধনী যন্ত্র এবং স্মার্ট ফোন পাওয়ার জন্য বিভিন্ন ধরণের শক্তি সঞ্চয় ইউনিট সহ সম্পূর্ণ ব্যাটারি ব্যবহার করেন। উভয়ই দৈনন্দিন ব্যবহারের জন্য যথেষ্ট, বিভিন্ন নমনীয় এবং পরিধানযোগ্য ইলেকট্রনিক পণ্যগুলির প্রয়োগের সম্ভাবনাকে সম্পূর্ণরূপে মূর্ত করে।

চিত্র 5 ইয়ারফোন, স্মার্টওয়াচ, মিনি বৈদ্যুতিক পাখা, প্রসাধনী সরঞ্জাম এবং স্মার্টফোনে ডিজাইন করা ব্যাটারি প্রয়োগ করে। নমনীয় ব্যাটারি (ক) ইয়ারফোন, (খ) স্মার্টওয়াচ এবং (গ) ছোট বৈদ্যুতিক পাখাগুলির জন্য শক্তি সরবরাহ করে; (d) কসমেটিক সরঞ্জামের জন্য শক্তি সরবরাহ করে; (ঙ) বিভিন্ন বিকৃতি অবস্থার অধীনে, নমনীয় ব্যাটারি স্মার্টফোনের জন্য শক্তি সরবরাহ করে।

সারাংশ এবং দৃষ্টিভঙ্গি

সংক্ষেপে, এই নিবন্ধটি মানুষের জয়েন্টগুলির গঠন দ্বারা অনুপ্রাণিত। এটি উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, একাধিক বিকৃততা এবং স্থায়িত্ব সহ একটি নমনীয় ব্যাটারি তৈরির জন্য একটি অনন্য নকশা পদ্ধতি প্রস্তাব করে। ঐতিহ্যগত নমনীয় LIB-এর সাথে তুলনা করে, এই নতুন নকশা কার্যকরভাবে বর্তমান ধাতু সংগ্রাহকের প্লাস্টিকের বিকৃতি এড়াতে পারে। একই সময়ে, এই কাগজে ডিজাইন করা শক্তি স্টোরেজ ইউনিটের উভয় প্রান্তে সংরক্ষিত বাঁকা পৃষ্ঠগুলি কার্যকরভাবে আন্তঃসংযুক্ত উপাদানগুলির স্থানীয় চাপ থেকে মুক্তি দিতে পারে। এছাড়াও, বিভিন্ন ঘুরানোর পদ্ধতি স্ট্যাকের আকৃতি পরিবর্তন করতে পারে, ব্যাটারিকে যথেষ্ট বিকৃতি প্রদান করে। নমনীয় ব্যাটারি চমৎকার চক্র স্থায়িত্ব এবং যান্ত্রিক স্থায়িত্ব প্রদর্শন করে অভিনব ডিজাইনের জন্য ধন্যবাদ এবং বিভিন্ন নমনীয় এবং পরিধানযোগ্য ইলেকট্রনিক পণ্যগুলিতে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে।

সাহিত্য লিঙ্ক

নমনযোগ্য/ভাঁজযোগ্য/প্রসারণযোগ্য/মোচনযোগ্য ব্যাটারির জন্য মানব যৌথ-অনুপ্রাণিত কাঠামোগত নকশা: একাধিক বিকৃতি অর্জন করা। (শক্তি পরিবেশ। বিজ্ঞান, 2021, DOI: 10.1039/D1EE00480H)