লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি কেন স্বতঃস্ফূর্তভাবে চার্জ হারায়? কারণ এবং কীভাবে এটি কমানো যায়

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির স্ব-বিসর্জন মানে প্রাকৃতিক পতন চার্জ/ভোল্টেজ যখন ব্যাটারি বাহ্যিক সার্কিট এর সাথে সংযুক্ত নয় (অর্থাৎ, খোলা সার্কিট অবস্থায়) . এটি সব ব্যাটারিরই একটি অভ্যন্তরীণ বৈশিষ্ট্য, যদিও বিভিন্ন মাত্রায়। যদিও লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির স্ব-বিসর্জনের হার তুলনামূলকভাবে কম, তবুও এটি ঘটে। এর প্রধান কারণগুলি নিম্নরূপ শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে:

1. অপরিহার্য রাসায়নিক পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া (স্বাভাবিক স্ব-স্রাব):

(1) এসইআই ফিল্মের বৃদ্ধি এবং দ্রবীভূতকরণঃ

অ্যানোডের পৃষ্ঠতল (সাধারণত গ্রাফাইট) একটি কঠিন তড়িৎদ্বার সীমান্ত (SEI) আবরণ ধারণ করে। প্রথম চার্জ ও ডিসচার্জের সময় এই আবরণ গঠিত হয় এবং ব্যাটারির সঠিক কার্যপ্রণালীর জন্য এটি অপরিহার্য। তবে, SEI আবরণটি সম্পূর্ণভাবে স্থিতিশীল নয়। সঞ্চয়কালীন, বিশেষ করে উচ্চ তাপমাত্রায়, SEI আবরণ ধীরে ধীরে দ্রবীভূত হয় এবং পুনরায় গঠিত হয়। এই পুনঃগঠন প্রক্রিয়ায় লিথিয়াম আয়ন এবং তড়িৎদ্বার খরচ হয়, যা ক্ষমতা হ্রাস এবং ভোল্টেজ পতনের কারণ হয়। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে স্ব-স্রাবের এটি একটি প্রধান কারণ।

(2) তড়িৎদ্বারের জারণ/বিজারণ:

ক্যাথোড উপকরণগুলি (যেমন লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড (LiCoO₂), লিথিয়াম নিকেল কোবাল্ট ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইড (NCM) এবং লিথিয়াম আয়রন ফসফেট (LiFePO₄)) চার্জিত অবস্থায় উচ্চ জারণ ক্রিয়াকলাপ প্রদর্শন করে। ইলেক্ট্রোলাইটের দ্রাবকগুলি (যেমন ইথিলিন কার্বনেট (EC) এবং ডাইমিথাইল কার্বনেট (DMC)) এবং যোগকগুলি দীর্ঘ সময় ধরে ক্যাথোডের উচ্চ বিভবের সংস্পর্শে এলে ধীরে ধীরে জারণ বিয়োজন বিক্রিয়া ঘটে। একইভাবে, অ্যানোড প্রান্তে, SEI ফিল্মের সুরক্ষা সত্ত্বেও, ইলেক্ট্রোলাইটের সামান্য পরিমাণে বিজারণ বিয়োজন ঘটতে পারে। এই রেডক্স পার্শ্ব বিক্রিয়াগুলি সক্রিয় লিথিয়াম আয়ন খরচ করে, যা ক্ষমতা হ্রাসের দিকে নিয়ে যায়।

(3) সক্রিয় উপকরণগুলিতে অশুদ্ধি বিক্রিয়া : ইলেক্ট্রোডের সক্রিয় উপকরণ বা কারেন্ট কালেক্টরগুলিতে উপস্থিত সূক্ষ্ম অশুদ্ধিগুলি (যেমন ধাতব আয়ন Fe, Cu, Zn ইত্যাদি) ইলেক্ট্রোডগুলির মধ্যে ক্ষুদ্র স্থানীয় শর্ট সার্কিট তৈরি করতে পারে বা প্যারাসিটিক বিক্রিয়ায় অংশ নিতে পারে, যা চার্জ খরচ করে।

2. অভ্যন্তরীণ মাইক্রো শর্ট সার্কিট (উৎপাদনের ত্রুটি বা বার্ধক্যের কারণে)

(1) ডায়াফ্রামের ত্রুটি: ডায়াফ্রামের উপর ক্ষুদ্র ছিদ্র, অমিশ্রতা বা দুর্বল স্থান চার্জ ও ডিসচার্জ চক্র বা দীর্ঘমেয়াদী সংরক্ষণের পর ধনাত্মক ও ঋণাত্মক ইলেকট্রোডের মধ্যে ক্ষুদ্র ইলেকট্রন পরিবহন (সূক্ষ্ম-শর্ট সার্কিট) ঘটাতে পারে, যা সরাসরি চার্জ ক্ষরণের কারণ হয়। এটি অস্বাভাবিকভাবে উচ্চ স্ব-স্রাবের প্রধান কারণ। এছাড়াও, যদিও ডায়াফ্রাম ম্যাক্রো স্তরে ইলেকট্রন পরিবহন রোধ করে এবং কেবল আয়নগুলিকে অতিক্রম করতে দেয়, কিন্তু সূক্ষ্ম স্তরে, ইলেকট্রোড উপাদানটি নিজেই বা পরিবাহী এজেন্ট নেটওয়ার্ক ইলেকট্রোলাইটের মাধ্যমে অত্যন্ত দুর্বল ইলেকট্রন ক্ষরণ পথ গঠন করতে পারে।

(2) ডেনড্রাইট পেনিট্রেশন: যে ব্যাটারিগুলি অতিরিক্ত চার্জ হয়, কম তাপমাত্রায় চার্জ হয় বা খুব বেশি বয়সী হয়ে যায়, তাতে লিথিয়াম ধাতু ঋণাত্মক ইলেকট্রোডের পৃষ্ঠে অসমভাবে জমা হতে পারে, যা ডেনড্রাইট গঠন করে। ধারালো ডেনড্রাইটগুলি বিভাজক ভেদ করতে পারে, ধনাত্মক ও ঋণাত্মক ইলেকট্রোডগুলিকে সংযুক্ত করে এবং অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিট ঘটায়।

(3) উৎপাদন প্রক্রিয়ার সময় ধাতব ধূলিকণা: যদি উৎপাদন প্রক্রিয়ার সময় (যেমন ইলেকট্রোড কাটার সময় তৈরি হওয়া) ধাতব ধুলো ইলেকট্রোড বা ডায়াফ্রামের মধ্যে থেকে যায়, তবে এটি মাইক্রো শর্ট সার্কিটের কারণ হতে পারে। সম্পূর্ণ ধুলোমুক্ত উৎপাদন অসম্ভব। যখন ধুলো ডায়াফ্রাম ভেদ করার জন্য যথেষ্ট নয় এবং ধনাত্মক ও ঋণাত্মক ইলেকট্রোডের মধ্যে শর্ট সার্কিট ঘটায় না, তখন এর ব্যাটারির উপর প্রভাব তেমন গুরুতর নয়; তবে যখন ধুলো ডায়াফ্রাম ভেদ করার মতো পরিমাণে গুরুতর হয়, তখন ব্যাটারির উপর প্রভাব খুবই গুরুতর হয়।

3. তাপমাত্রার প্রভাব:

তাপমাত্রা হল সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ উপাদানগুলির মধ্যে একটি। উচ্চতর তাপমাত্রা আত্ম-চার্জ হ্রাসের দিকে নিয়ে যাওয়া সমস্ত রাসায়নিক বিক্রিয়ার হারকে উল্লেখযোগ্যভাবে ত্বরান্বিত করে (SEI ফিল্মের বিকাশ, তড়িৎবিশ্লেষ্য বিয়োজন, অশুদ্ধি বিক্রিয়া ইত্যাদি), যা আত্ম-চার্জ হ্রাসের হারে তীব্র বৃদ্ধির দিকে নিয়ে যায়। তাই, দীর্ঘমেয়াদী ব্যাটারি সংরক্ষণ কম তাপমাত্রায় করা উচিত (তবে হিমায়ন এড়ানো উচিত)।

4. আত্ম-চার্জ হ্রাসের প্রভাব:

ক্ষমতা হ্রাস: সবথেকে সরাসরি প্রভাব হলো উপলব্ধ ব্যাটারি ক্ষমতা হ্রাস পাওয়া।

ভোল্টেজ ড্রপ: সংরক্ষণের সময়ের সাথে সাথে খোলা সার্কিট ভোল্টেজ কমে যায়।

দ্রুত বার্ধক্য: স্ব-চার্জ নিঃসরণের সময় পার্শ্ব বিক্রিয়াগুলি (যেমন চলমান SEI বৃদ্ধি) সক্রিয় লিথিয়াম এবং ইলেক্ট্রোলাইট গুলি গ্রাস করে, যা নিজেই একটি বার্ধক্য প্রক্রিয়া।

চার্জের অবস্থা নির্ধারণে অসুবিধা: শুধুমাত্র ভোল্টেজের উপর ভিত্তি করে অবশিষ্ট চার্জ নির্ভুলভাবে নির্ধারণ করা কষ্টসাধ্য করে তোলে স্ব-নিঃসরণ।

নিরাপত্তা ঝুঁকি (চরম ক্ষেত্রে): অস্বাভাবিকভাবে উচ্চ স্ব-নিঃসরণ (যেমন মারাত্মক অভ্যন্তরীণ মাইক্রো-শর্ট সার্কিট) ব্যাটারির তাপমাত্রা বৃদ্ধি করতে পারে এবং এমনকি তাপীয় অনিয়ন্ত্রণ ঘটাতে পারে।

ব্যাটারির স্ব-নিঃসরণের প্রধান প্রতিরোধমূলক ব্যবস্থাগুলি নিম্নরূপ:

(1) ব্যাটারির ডিজাইন এবং উপকরণগুলি অনুকূলিত করুন: sEI মেমব্রেনের স্থিতিশীলতা উন্নত করুন, শক্তিশালী জারণ প্রতিরোধ এবং উচ্চ-বিশুদ্ধতার উপাদান সহ তড়িৎদ্বারগুলি তৈরি করুন এবং ডায়াফ্রামের গুণমান উন্নত করুন।

(2) সংরক্ষণের শর্তাবলী নিয়ন্ত্রণ করুন:

তাপমাত্রা: সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয়! ব্যাটারি সংরক্ষণ করুন নিম্ন তাপমাত্রায় (যেমন 10°C-25°C, 0°C এর নিচের তাপমাত্রা এড়িয়ে চলুন)।

চার্জের অবস্থা: দীর্ঘ সময় ধরে ব্যাটারি সংরক্ষণের সময়, এটিকে মাঝারি চার্জের অবস্থায় (যেমন, 40%-60%) চার্জ করুন। পূর্ণ চার্জ অবস্থা ইলেক্ট্রোলাইটের ইতিবাচক তড়িৎদ্বার দ্বারা জারণকে ত্বরান্বিত করবে, যেখানে সম্পূর্ণ নিঃশেষিত অবস্থা নেতিবাচক তড়িৎদ্বারে অতিরিক্ত ডিসচার্জের ক্ষতি হতে পারে।

(3) নিয়মিত পুনঃচার্জ: যেসব ব্যাটারি অনেক সময় ধরে নিষ্ক্রিয় আছে, তাদের ভোল্টেজ/এসওসি নিয়মিত পরীক্ষা করা উচিত, এবং শক্তি খুব কম হয়ে গেলে উপযুক্ত চার্জিং (যেমন 50% পর্যন্ত চার্জ করা) করা উচিত, যাতে ব্যাটারির গভীর ডিসচার্জ এবং ক্ষতি এড়ানো যায়।

(4) উৎপাদন প্রক্রিয়ার কঠোর নিয়ন্ত্রণ: অশুদ্ধি এবং ধাতব ধূলিকণা কমিয়ে আনা ডায়াফ্রামের গুণগত মান নিশ্চিত করতে সাহায্য করে।

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি স্ব-স্রাব মূলত অন্তর্নিহিত রাসায়নিক পার্শ্ব বিক্রিয়ার কারণে ঘটে, যেমন নেতিবাচক ইলেকট্রোড এসইআই ফিল্মের অস্থিতিশীলতা এবং ইলেকট্রোড পৃষ্ঠে (বিশেষ করে ধনাত্মক ইলেকট্রোডে) ইলেকট্রোলাইটের ধীর জারণ/বিজারণ বিয়োজন। উৎপাদনের সময় ত্রুটির কারণে (যেমন বিভাজকের ত্রুটি এবং অশুদ্ধি) অভ্যন্তরীণ মাইক্রো-শর্ট স্ব-স্রাবের হার অস্বাভাবিকভাবে বাড়িয়ে তুলতে পারে . তাপমাত্রা হল স্ব-স্রাবের হারকে প্রভাবিত করার সবচেয়ে বড় বাহ্যিক কারণ । স্ব-স্রাবের কারণগুলি বোঝা ব্যাটারির ব্যবহার এবং সংরক্ষণের কৌশলগুলি অনুকূলিত করতে সাহায্য করতে পারে, যা ব্যাটারির আয়ু বাড়াতে সাহায্য করে।