Aluminium-ion battery
অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারি হল রিচার্জেবল ব্যাটারির একটি শ্রেণী যেখানে অ্যালুমিনিয়াম আয়ন চার্জ বাহক হিসাবে কাজ করে। অ্যালুমিনিয়াম প্রতি আয়নে তিনটি ইলেকট্রন বিনিময় করতে পারে। এর মানে হল যে একটি Al3 + সন্নিবেশ তিনটি Li + আয়নগুলির সমতুল্য। সুতরাং, যেহেতু Al3 + (0.54 Å) এবং Li + (0.76 Å) এর আয়নিক ব্যাসার্ধ একই রকম, তাই উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি সংখ্যক ইলেকট্রন এবং Al3 + আয়নগুলি সামান্য ক্ষতি সহ ক্যাথোড দ্বারা গ্রহণ করা যেতে পারে। আল-এর শক্তির ঘনত্ব লি-এর 50 গুণ (23.5 মেগাওয়াট-ঘন্টা মি-3) এবং এটি কয়লার থেকেও বেশি। ত্রয়ী চার্জ বাহক, এএল3 + এই ব্যাটারির সুবিধা এবং অসুবিধা উভয়ই। একটি আয়ন দ্বারা 3 ইউনিট চার্জ স্থানান্তর করার সময় উল্লেখযোগ্যভাবে শক্তি সঞ্চয় ক্ষমতা বৃদ্ধি করে, একটি ত্রিভুজ ক্যাটায়ন সহ বিদ্যুদ্বাহকগুলির স্থিতিশীল আন্তঃসংযোগ সু-সংজ্ঞায়িত তড়িৎরাসাযনিক আচরণের জন্য খুব শক্তিশালী। রিচার্জেবল অ্যালুমিনিয়াম-ভিত্তিক ব্যাটারিগুলি উচ্চ ক্ষমতা সহ কম খরচ এবং কম জ্বলনযোগ্যতার সম্ভাবনা সরবরাহ করে। অ্যালুমিনিয়ামের নিষ্ক্রিয়তা এবং পরিবেষ্টিত পরিবেশে পরিচালনার সহজতা সম্ভাব্যভাবে উল্লেখযোগ্য নিরাপত্তা উন্নতি প্রদান করে। অতএব, অ্যালুমিনিয়াম-ব্যাটারির আকার ছোট হওয়ার সম্ভাবনা রয়েছে। আল-আয়ন ব্যাটারিতে আরও বেশি চার্জ-ডিসচার্জ চক্র থাকতে পারে। সুতরাং, আল-আয়ন ব্যাটারিগুলির লি-আয়ন ব্যাটারি প্রতিস্থাপনের সম্ভাবনা রয়েছে। অন্যান্য সমস্ত ব্যাটারির মতো, অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে একটি তড়িৎবিশ্লেষ্য দ্বারা সংযুক্ত দুটি বিদ্যুদ্বাহক থাকে। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির বিপরীতে, যেখানে সচল আয়নটি লি +, অ্যালুমিনিয়াম বেশিরভাগ তড়িৎবিশ্লেষণে ক্লোরাইড সহ একটি জটিল গঠন করে এবং একটি অ্যানিয়নিক সচল চার্জ বাহক তৈরি করে, সাধারণত এ. এল. সি. এল 4− বা এ. এল. 2. সি. এল 7−। একটি ব্যাটারি যে পরিমাণ শক্তি বা শক্তি নির্গত করতে পারে তা ব্যাটারি কোষের ভোল্টেজ, ক্ষমতা এবং রাসায়নিক গঠন সহ কারণগুলির উপর নির্ভর করে। একটি ব্যাটারি তার শক্তি উৎপাদনের মাত্রা সর্বাধিক করতে পারে এইভাবেঃ দুটি বিদ্যুদ্বাহকের মধ্যে রাসায়নিক সম্ভাব্যতা বৃদ্ধি প্রতিক্রিয়াশীল পদার্থের ভর হ্রাস করে তড়িৎবিশ্লেষ্যকে রাসায়নিক বিক্রিয়া দ্বারা পরিবর্তিত হতে বাধা দেয় তড়িৎরসায়ন অ্যানোড অর্ধ বিক্রিয়াঃ {Al} + {7AlCl4 ^-} <=> {4Al2Cl7 ^-} + {3e ^-} ক্যাথোড অর্ধ বিক্রিয়াঃ {2MnO2} + {Li +} + {e ^-} <=> {LiMn2O4} দুটি অর্ধ বিক্রিয়া একত্রিত করলে নিম্নলিখিত প্রতিক্রিয়া পাওয়া যায়ঃ {Al} + {7AlCl4 ^-} + {6MnO2 + + {3Li যদিও অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারির তাত্ত্বিক ভোল্টেজ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির তুলনায় যথাক্রমে 2.65 ভি এবং 4 ভি কম, অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারির তাত্ত্বিক শক্তি ঘনত্ব লিথিয়াম-আয়ন 406 ডাব্লু/কেজি সীমার তুলনায় 1060 ডাব্লু/কেজি। আজকের লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলির উচ্চ শক্তির ঘনত্ব (দ্রুত চার্জ/স্রাব) এবং উচ্চ শক্তির ঘনত্ব (প্রচুর চার্জ ধরে রাখে) রয়েছে। তারা ডেনড্রাইটও তৈরি করতে পারে যা শর্ট সার্কিট করতে পারে এবং আগুন ধরতে পারে। অ্যালুমিনিয়াম তার 3টি ইলেকট্রনের কারণে আরও দক্ষতার সাথে শক্তি স্থানান্তর করে। অ্যালুমিনিয়ামের প্রাচুর্য বেশি/খরচ লিথিয়ামের চেয়ে কম, যা উপাদানের খরচ কমায়। চ্যালেঞ্জ আজ অবধি অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলির তুলনামূলকভাবে স্বল্প বালুচর জীবন রয়েছে। তাপ, আধানের হার এবং সাইকেল চালানোর সংমিশ্রণ শক্তির ক্ষমতাকে নাটকীয়ভাবে প্রভাবিত করতে পারে। এর অন্যতম কারণ হল গ্রাফাইট অ্যানোডের ফ্র্যাকচার। অ্যাল পরমাণু লি পরমাণুর চেয়ে অনেক বড়। আয়নিক ইলেক্ট্রোলাইট, ক্ষয় হ্রাস করে ডিভাইসগুলির নিরাপত্তা এবং দীর্ঘমেয়াদী স্থিতিশীলতা উন্নত করার সময়, ব্যয়বহুল এবং তাই অনুপযুক্ত হতে পারে। গবেষণা বিভিন্ন গবেষণা দল উন্নততর ব্যাটারি উৎপাদনের জন্য অ্যালুমিনিয়াম নিয়ে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করছে। প্রয়োজনীয়তাগুলির মধ্যে রয়েছে খরচ, স্থায়িত্ব, ক্ষমতা, চার্জিং গতি এবং নিরাপত্তা। অ্যানোড কর্নেল বিশ্ববিদ্যালয় 2021 সালে, গবেষকরা একটি কোষ ঘোষণা করেছিলেন যা একটি 3ডি কাঠামোগত অ্যানোড ব্যবহার করে যেখানে অ্যালুমিনিয়ামের স্তরগুলি ব্যাটারি চার্জ হওয়ার সাথে সাথে সমযোজী বন্ধনের মাধ্যমে একটি আন্তঃ বোনা কার্বন ফাইবার কাঠামোর উপর সমানভাবে জমা হয়। পুরু আনোডে দ্রুত গতিবিদ্যার বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং প্রোটোটাইপটি ব্যর্থতার লক্ষণ ছাড়াই 10k চক্রের জন্য পরিচালিত হয়। ইলেক্ট্রোলাইট ওক রিজ ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি 2010 সালের দিকে, ওক রিজ ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি (ওআরএনএল) একটি উচ্চ শক্তি ঘনত্বের যন্ত্র তৈরি ও পেটেন্ট করে, যা প্রতি কিলোগ্রামে 1,060 ওয়াট-ঘন্টা (ডব্লিউএইচ/কেজি) উৎপাদন করে। ওআরএনএল সাধারণ জলীয় তড়িৎবিশ্লেষ্যের পরিবর্তে একটি আয়নিক তড়িৎবিশ্লেষ্য ব্যবহার করে যা হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপাদন করতে পারে এবং অ্যানোডকে ক্ষয় করতে পারে। ইলেক্ট্রোলাইটটি অতিরিক্ত অ্যালুমিনিয়াম ট্রাইক্লোরাইড সহ 3-ইথাইল-1-মিথিলিমিডাজোলিয়াম ক্লোরাইড দিয়ে তৈরি করা হয়েছিল। তবে, আয়নিক তড়িৎবিশ্লেষ্যগুলি কম পরিবাহী, যা শক্তির ঘনত্ব হ্রাস করে। অ্যানোড/ক্যাথোড পৃথকীকরণ হ্রাস করা সীমিত পরিবাহিতা হ্রাস করতে পারে, তবে তাপের কারণ হতে পারে। ওআরএনএল স্পিনেলে ম্যাঙ্গানিজ অক্সাইড দিয়ে তৈরি একটি ক্যাথোড উদ্ভাবন করে যা আরও ক্ষয় হ্রাস করে। ক্যাথোড কর্নেল বিশ্ববিদ্যালয় 2011 সালে একটি গবেষণা দল ওআরএনএল-এর মতো একই তড়িৎবিশ্লেষ্য ব্যবহার করেছিল, তবে ক্যাথোডের জন্য ভ্যানেডিয়াম অক্সাইড ন্যানোওয়্যার ব্যবহার করেছিল। ভ্যানেডিয়াম অক্সাইডের একটি খোলা স্ফটিক কাঠামো রয়েছে যার বৃহত্তর পৃষ্ঠ এলাকা এবং ক্যাথোড এবং অ্যানোডের মধ্যে হ্রাসকৃত পথ রয়েছে। যন্ত্রটি একটি বড় আউটপুট ভোল্টেজ তৈরি করেছিল। তবে, ব্যাটারিটির কুলম্বিক দক্ষতা কম ছিল। 2015 সালের এপ্রিলে স্ট্যানফোর্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষকরা প্রায় এক মিনিটের রিচার্জ সময় (অনির্দিষ্ট ব্যাটারি ক্ষমতার জন্য) সহ একটি অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন ব্যাটারি তৈরি করার দাবি করেন। দুটি কোষের একটি সিরিজে সংযুক্ত থাকলে তাদের কোষ প্রায় 2 ভোল্ট, 4 ভোল্ট সরবরাহ করে। প্রোটোটাইপটি 7,500 টিরও বেশি চার্জ-ডিসচার্জ চক্র স্থায়ী হয়েছিল যার ক্ষমতা কোনও ক্ষতি হয়নি। ব্যাটারিটি একটি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোড, তরল তড়িৎবিশ্লেষ্য, বিচ্ছিন্নতা ফেনা এবং একটি গ্রাফাইট ক্যাথোড দিয়ে তৈরি করা হয়েছিল। চার্জিং প্রক্রিয়া চলাকালীন, অ্যালসিএল4-আয়নগুলি স্ট্যাক করা গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে আন্তঃসংযোগ করে। নিষ্কাশনের সময়, অ্যালসিএল4-আয়নগুলি গ্রাফাইটের মাধ্যমে দ্রুত আন্তঃসংযোগ বিচ্ছিন্ন করে দেয়। কোষটি উচ্চ স্থায়িত্ব প্রদর্শন করে, ক্ষমতা ক্ষয় ছাড়াই 10,000 টিরও বেশি চক্র সহ্য করে। কোষটি স্থিতিশীল, অ-বিষাক্ত, নমনীয় এবং অ-দাহ্য ছিল। 2016 সালে, ল্যাবটি তাইওয়ানের ইন্ডাস্ট্রিয়াল টেকনোলজি রিসার্চ ইনস্টিটিউটের (আই. টি. আর. আই) সাথে সহযোগিতার মাধ্যমে একটি ব্যয়বহুল ইলেক্ট্রোলাইট ব্যবহার করে একটি মোটরবাইককে শক্তি দেওয়ার জন্য এই কোষগুলি পরীক্ষা করেছিল। 2017 সালে, একটি ইউরিয়া-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোলাইট পরীক্ষা করা হয়েছিল যা 2015 মডেলের দামের প্রায় 1 শতাংশ ছিল। ব্যাটারিটি ~99.7% কুলম্বিক দক্ষতা এবং 73 এমএএইচ/জি (1.4 সি) ক্যাথোড ধারণক্ষমতায় 100 এমএ/জি হার ক্ষমতা প্রদর্শন করে। এলিয়ন প্রকল্প জুন 2015 সালে, উচ্চ নির্দিষ্ট শক্তি অ্যালুমিনিয়াম-আয়ন রিচার্জেবল ব্যাটারি ফর ডিসেন্ট্রালাইজড ইলেক্ট্রিসিটি জেনারেশন সোর্স (এলিয়ন) প্রকল্পটি এল. ই. আই. টি. এ. টি গবেষণা ইনস্টিটিউটের নেতৃত্বে ইউরোপীয় হরাইজন 2020 প্রকল্প হিসাবে উপকরণ এবং উপাদান প্রস্তুতকারক এবং ব্যাটারি অ্যাসেম্বলারদের একটি কনসোর্টিয়াম দ্বারা চালু করা হয়েছিল। প্রকল্পের উদ্দেশ্য হল একটি প্রোটোটাইপ আল-আয়ন ব্যাটারি তৈরি করা যা বিকেন্দ্রীভূত উৎস থেকে বড় আকারের সঞ্চয়ের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে। প্রকল্পটি 400 ডাব্লুএইচ/কেজি শক্তির ঘনত্ব, 48 ভোল্টের ভোল্টেজ এবং 3000 চক্রের চার্জ-ডিসচার্জ জীবন অর্জন করতে চেয়েছিল। 6 থেকে 72 ভোল্ট পর্যন্ত ভোল্টেজ সহ বড় আল-আয়ন কোষের জন্য অনুমোদিত ব্যাটারি প্যাকগুলির 3ডি প্রিন্টিং বিকশিত হয়েছিল। 2016 সালে, মেরিল্যান্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের একটি দল একটি অ্যালুমিনিয়াম/সালফার ব্যাটারি রিপোর্ট করেছে যা ক্যাথোড হিসাবে একটি সালফার/কার্বন সংমিশ্রণ ব্যবহার করে। এই রসায়নটি তাত্ত্বিক শক্তির ঘনত্ব 1340 ডাব্লুএইচ/কেজি প্রদান করে। প্রোটোটাইপ কোষটি 20 টিরও বেশি চক্রের জন্য 800 ডাব্লুএইচ/কেজি শক্তির ঘনত্ব প্রদর্শন করেছে। এমআইটি 2022 সালে, এমআইটি গবেষকরা একটি নকশা রিপোর্ট করেছেন যা একটি গলিত ক্লোরো-অ্যালুমিনেট লবণ তড়িৎবিশ্লেষ্য দ্বারা পৃথক একটি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোড এবং একটি সালফার ক্যাথোড সহ সস্তা এবং অ-দাহ্য উপাদান ব্যবহার করে। প্রোটোটাইপ শত শত চার্জ চক্র সহ্য করে এবং দ্রুত চার্জ করে। এগুলি সর্বোচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করতে পারে। ব্যাটারিগুলি আগের তুলনায় 25 গুণ দ্রুত চার্জ হয়। এই তাপমাত্রা চার্জ/স্রাব চক্র দ্বারা বজায় রাখা যেতে পারে। লবণের গলনাঙ্ক কম এবং ডেনড্রাইট গঠনে বাধা দেয়। একটি সম্ভাব্য প্রয়োগ হল চার্জিং স্টেশনগুলিতে, যেখানে একটি প্রাক-চার্জ করা ব্যাটারি পাওয়ার লাইনে ব্যয়বহুল আপগ্রেড ছাড়াই স্টেশনটিকে একই সাথে আরও বেশি যানবাহন চার্জ করার অনুমতি দিতে পারে। একজন গবেষকের সহ-প্রতিষ্ঠিত স্পিনঅফ সংস্থা অবন্তী এই কাজটিকে বাণিজ্যিকীকরণের চেষ্টা করছে। 2019 সালে স্লোভেনিয়ার চালমার্স ইউনিভার্সিটি অফ টেকনোলজি এবং ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অফ কেমিস্ট্রি গবেষকরা অ্যালুমিনিয়াম আয়ন ব্যাটারিতে ক্যাথোডের জন্য অ্যানথ্রাকুইনোন ব্যবহার করার প্রস্তাব দেন। 2019 সালে কুইন্সল্যান্ড ইউনিভার্সিটি অফ টেকনোলজির গবেষকরা জলীয় তড়িৎবিশ্লেষ্য সহ অ্যালুমিনিয়াম আয়ন ব্যাটারির জন্য ক্যাথোড হিসাবে ক্রিপ্টোমেলেন ভিত্তিক বিদ্যুদ্বাহক তৈরি করেছিলেন। ক্লেমসন বিশ্ববিদ্যালয় 2017 সালে, ক্লেমসন ন্যানোমেটারিয়ালস ইনস্টিটিউটের গবেষকরা টেট্রাক্লোরোঅ্যালুমিনেট () আন্তঃসংযোগ করতে একটি গ্রাফিন বিদ্যুদ্বাহক ব্যবহার করেছিলেন। দলটি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোড, প্রাচীন বা পরিবর্তিত কয়েকটি স্তরের গ্রাফিন ক্যাথোড এবং তড়িৎবিশ্লেষ্য হিসাবে এ. এল. সি. এল 3 লবণ সহ একটি আয়নিক তরল দিয়ে ব্যাটারি তৈরি করেছিল। তারা দাবি করেছে যে ব্যাটারিটি 200 ডাব্লুএইচ/কেজি শক্তির ঘনত্ব সহ 10,000 টিরও বেশি চক্র পরিচালনা করতে পারে। চেচিয়াং বিশ্ববিদ্যালয় 2017 সালের ডিসেম্বরে চেচিয়াং বিশ্ববিদ্যালয়ের একটি দল ক্যাথোড হিসাবে গ্রাফিন ফিল্ম এবং অ্যানোড হিসাবে ধাতব অ্যালুমিনিয়াম ব্যবহার করে একটি ব্যাটারি ঘোষণা করে। 3এইচ3সি (ট্রাইহাই ট্রাইকন্টিনিউয়াস) নকশার ফলে একটি গ্রাফিন ফিল্ম ক্যাথোড তৈরি হয় যার চমৎকার তড়িৎরাসায়নগত বৈশিষ্ট্য রয়েছে। তরল স্ফটিক গ্রাফিন একটি অত্যন্ত ভিত্তিক কাঠামো গঠন করে। চাপের মধ্যে উচ্চ তাপমাত্রার অ্যানিলিং একটি উচ্চ মানের এবং উচ্চ চ্যানেলিং গ্রাফিন কাঠামো তৈরি করে। দাবি করা বৈশিষ্ট্যঃ 250k চক্রের পরে মূল ক্ষমতার 91.7 শতাংশ ধরে রাখা হয়েছে। 1. 1 সেকেন্ড চার্জ সময়। তাপমাত্রার পরিসীমাঃ-40 থেকে 120 ডিগ্রি সেলসিয়াস বর্তমান ক্ষমতাঃ 111 এমএএইচ/জি, 400 এ/জি বাঁকানো এবং অ-দাহ্য। কম শক্তির ঘনত্বের রেডক্স ব্যাটারি অ্যালুমিনিয়াম ব্যাটারির আরেকটি পদ্ধতি হল চার্জ এবং ডিসচার্জ করার জন্য রেডক্স প্রতিক্রিয়া ব্যবহার করা। চার্জিং প্রক্রিয়াটি সাধারণত অ্যালুমিনিয়াম স্মেল্টারে তড়িৎ বিশ্লেষণ ব্যবহার করে অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড বা অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইডকে আয়নিক অ্যালুমিনিয়ামে রূপান্তরিত করে। এর জন্য তাপমাত্রা প্রয়োজন। একটি প্রতিবেদনে সম্ভাব্য দক্ষতা প্রায় 65 শতাংশ বলে অনুমান করা হয়েছে। যদিও আয়নিক অ্যালুমিনিয়াম বাতাসের উপস্থিতিতে জারিত হয়, তবে এর জন্য শক্তি সঞ্চয় ক্ষমতার 1 শতাংশেরও কম খরচ হয়। ব্যাটারি নিষ্কাশনের সাথে অ্যালুমিনিয়ামকে জারিত করা জড়িত, সাধারণত 100 ডিগ্রি সেলসিয়াসের কম তাপমাত্রায় জল দিয়ে। এটি অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইড এবং আয়নিক হাইড্রোজেন উৎপন্ন করে। পরেরটি একটি জ্বালানী কোষের মাধ্যমে বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে পারে। জ্বালানী কোষে জারণ তাপ উৎপন্ন করে, যা স্থান বা জল উত্তাপকে সমর্থন করতে পারে। একটি উচ্চ-তাপমাত্রার প্রক্রিয়া শিল্প প্রয়োগগুলিকে সমর্থন করতে পারে। এটি 200 ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি তাপমাত্রায় কাজ করে, অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড, হাইড্রোজেন এবং অতিরিক্ত তাপ উৎপাদনের জন্য বাষ্পের সাথে অ্যালুমিনিয়ামের বিক্রিয়া করে। আয়নিক অ্যালুমিনিয়ামটি স্মেল্টার ওয়ান পদ্ধতিতে সংরক্ষণ করা যেতে পারে যা একটি স্মেল্টারে ব্যাটারি চার্জ করে এবং যেখানেই শক্তি ও তাপের প্রয়োজন হয় সেখানে এটি নিষ্কাশন করে। বিকল্পভাবে, পরিবহনের প্রয়োজন ছাড়াই স্মেল্টারের গ্রিডে বিদ্যুৎ সরবরাহ করা যেতে পারে, যদিও সর্বোচ্চ রাউন্ড-ট্রিপ দক্ষতার জন্য, স্মেল্টার সাইটে তাপ ব্যবহার করতে হবে। আরও দেখুন অ্যালুমিনিয়াম-বায়ু ব্যাটারি ধাতব-বায়ু ব্যাটারি ব্যাটারির প্রকারের তুলনা ব্যাটারির প্রকারের তালিকা শক্তির ঘনত্ব রেফারেন্স বাহ্যিক লিঙ্ক রিচার্জেবল অ্যালুমিনিয়াম ব্যাটারির জন্য ক্যাথোড উপকরণঃ বর্তমান অবস্থা এবং অগ্রগতি ধাতব-আয়ন ব্যাটারি অ্যালুমিনিয়াম