মার্কিন শক্তি বিভাগের (ডিওই) আর্গন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির গবেষকদের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির ক্ষেত্রে যুগান্তকারী আবিষ্কারের এক দীর্ঘ ইতিহাস রয়েছে। এই ফলাফলগুলোর বেশিরভাগই ব্যাটারির ক্যাথোড সম্পর্কিত, যাকে এনএমসি (NMC), অর্থাৎ নিকেল ম্যাঙ্গানিজ এবং কোবাল্ট অক্সাইড বলা হয়। এই ক্যাথোডযুক্ত একটি ব্যাটারি এখন শেভ্রোলেট বোল্ট গাড়িতে শক্তি যোগায়।
আর্গনের গবেষকরা এনএমসি ক্যাথোডের ক্ষেত্রে আরও একটি যুগান্তকারী সাফল্য অর্জন করেছেন। দলটির নতুন ক্ষুদ্র ক্যাথোড কণা কাঠামো ব্যাটারিকে আরও টেকসই ও নিরাপদ করে তুলতে পারে, যা অত্যন্ত উচ্চ ভোল্টেজে কাজ করতে এবং দীর্ঘ দূরত্ব অতিক্রম করতে সক্ষম হবে।
“আমাদের কাছে এখন এমন নির্দেশিকা রয়েছে যা ব্যবহার করে ব্যাটারি প্রস্তুতকারকরা উচ্চ-চাপযুক্ত, সীমাহীন ক্যাথোড উপাদান তৈরি করতে পারবেন,” বলেন আর্গন ফেলো এমেরিটাস খলিল আমিন।
“বিদ্যমান এনএমসি ক্যাথোডগুলো উচ্চ ভোল্টেজের কাজের ক্ষেত্রে একটি বড় বাধা,” বলেছেন সহকারী রসায়নবিদ গুইলিয়াং শু। চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের ফলে ক্যাথোড কণাগুলোতে ফাটল তৈরি হওয়ায় কার্যক্ষমতা দ্রুত হ্রাস পায়। কয়েক দশক ধরে ব্যাটারি গবেষকরা এই ফাটলগুলো মেরামত করার উপায় খুঁজে চলেছেন।
অতীতে একটি পদ্ধতিতে অনেক ছোট ছোট কণা দিয়ে গঠিত ক্ষুদ্র গোলাকার কণা ব্যবহার করা হতো। বড় গোলাকার কণাগুলো পলিক্রিস্টালাইন হয়, যেখানে বিভিন্ন দিকে বিন্যস্ত ক্রিস্টালাইন ডোমেইন থাকে। ফলে, কণাগুলোর মধ্যে এমন সীমানা তৈরি হয়, যাকে বিজ্ঞানীরা ‘গ্রেইন বাউন্ডারি’ বলেন, যা একটি সাইকেলের সময় ব্যাটারিতে ফাটল ধরাতে পারে। এটি প্রতিরোধ করার জন্য, জু এবং আর্গনের সহকর্মীরা পূর্বে প্রতিটি কণার চারপাশে একটি প্রতিরক্ষামূলক পলিমার আবরণ তৈরি করেছিলেন। এই আবরণটি বড় গোলাকার কণা এবং তার ভেতরের ছোট কণাগুলোকে ঘিরে রাখে।
এই ধরনের ফাটল এড়ানোর আরেকটি উপায় হলো একক স্ফটিক কণা ব্যবহার করা। এই কণাগুলোর ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি থেকে দেখা গেছে যে, এদের কোনো সীমানা নেই।
দলটির জন্য সমস্যাটি ছিল যে, প্রলেপযুক্ত পলিক্রিস্টাল এবং একক ক্রিস্টাল দিয়ে তৈরি ক্যাথোডগুলোও চক্রাকারে ব্যবহারের সময় ফেটে যাচ্ছিল। তাই, তারা মার্কিন শক্তি বিভাগের আর্গন বিজ্ঞান কেন্দ্রের অ্যাডভান্সড ফোটন সোর্স (APS) এবং সেন্টার ফর ন্যানোম্যাটেরিয়ালস (CNM)-এ এই ক্যাথোড উপাদানগুলো নিয়ে ব্যাপক বিশ্লেষণ পরিচালনা করেন।
পাঁচটি এপিএস বাহুর (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C এবং 34-ID-E) উপর বিভিন্ন এক্স-রে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। এতে দেখা যায় যে, ইলেকট্রন এবং এক্স-রে মাইক্রোস্কোপিতে বিজ্ঞানীরা যাকে একটি একক স্ফটিক বলে মনে করেছিলেন, তার ভিতরে আসলে একটি সীমানা ছিল। সিএনএম-এর স্ক্যানিং এবং ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি এই সিদ্ধান্তে উপনীত হতে সাহায্য করে।
“যখন আমরা এই কণাগুলোর পৃষ্ঠীয় গঠন পরীক্ষা করে দেখলাম, তখন সেগুলোকে একক স্ফটিকের মতো মনে হলো,” বলেছেন পদার্থবিজ্ঞানী ওয়েনজুন লিউ। â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X射线衍射显微镜的技术和其他技术时,我们发现边界隐藏在内部." â� <“但是, 当 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 使用 和和发现 边界 隐藏 在."তবে, এপিএস-এ সিনক্রোট্রন এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন মাইক্রোস্কোপি এবং অন্যান্য কৌশল ব্যবহার করে আমরা দেখতে পেলাম যে, সীমানাগুলো ভেতরে লুকানো ছিল।
গুরুত্বপূর্ণভাবে, দলটি সীমানাবিহীন একক স্ফটিক উৎপাদনের একটি পদ্ধতি উদ্ভাবন করেছে। এই একক-স্ফটিক ক্যাথোডযুক্ত ছোট কোষগুলোকে অত্যন্ত উচ্চ ভোল্টেজে পরীক্ষা করে দেখা গেছে যে, ১০০টি পরীক্ষা চক্র জুড়ে কার্যক্ষমতার কার্যত কোনো হ্রাস ছাড়াই প্রতি একক আয়তনে শক্তি সঞ্চয় ২৫% বৃদ্ধি পেয়েছে। এর বিপরীতে, বহু-ইন্টারফেসযুক্ত একক স্ফটিক বা প্রলেপযুক্ত পলিক্রিস্টাল দ্বারা গঠিত এনএমসি (NMC) ক্যাথোডগুলো একই জীবনকালে ৬০% থেকে ৮৮% পর্যন্ত ধারণক্ষমতা হ্রাস দেখিয়েছে।
পারমাণবিক মাত্রার গণনা ক্যাথোড ক্যাপাসিট্যান্স হ্রাসের কার্যপ্রণালী উন্মোচন করে। সিএনএম-এর ন্যানোবিজ্ঞানী মারিয়া চ্যাং-এর মতে, ব্যাটারি চার্জ করার সময় এর প্রান্তসীমা থেকে দূরবর্তী অঞ্চলের তুলনায় অক্সিজেন পরমাণু হারানোর সম্ভাবনা বেশি থাকে। অক্সিজেনের এই ক্ষতি কোষচক্রের অবনতি ঘটায়।
“আমাদের গণনা থেকে দেখা যায়, এই সীমানার কারণে কীভাবে উচ্চ চাপে অক্সিজেন নির্গত হতে পারে, যা কর্মক্ষমতা হ্রাস করতে পারে,” চ্যান বলেন।
সীমানাটি অপসারণ করলে অক্সিজেন নির্গমন প্রতিরোধ হয়, যার ফলে ক্যাথোডের নিরাপত্তা ও চক্রীয় স্থিতিশীলতা উন্নত হয়। মার্কিন শক্তি বিভাগের লরেন্স বার্কলি ন্যাশনাল ল্যাবরেটরিতে এপিএস এবং একটি উন্নত আলোক উৎসের সাহায্যে করা অক্সিজেন নির্গমন পরিমাপ এই সিদ্ধান্তে উপনীত হয়েছে।
“এখন আমাদের কাছে এমন নির্দেশিকা রয়েছে যা ব্যবহার করে ব্যাটারি প্রস্তুতকারকরা এমন ক্যাথোড উপাদান তৈরি করতে পারবেন যার কোনো সীমাবদ্ধতা নেই এবং যা উচ্চ চাপে কাজ করতে পারে,” বলেছেন আর্গন ফেলো এমেরিটাস খলিল আমিন। â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料.” â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料.”NMC ব্যতীত অন্যান্য ক্যাথোড উপাদানের ক্ষেত্রে নির্দেশিকাগুলো প্রযোজ্য হবে।
এই গবেষণা সম্পর্কে একটি নিবন্ধ নেচার এনার্জি জার্নালে প্রকাশিত হয়েছে। জু, আমিন, লিউ এবং চ্যাং ছাড়াও, আর্গোনের লেখকরা হলেন জিয়াং লিউ, ভেঙ্কটা সূর্য চৈতন্য কোল্লুরু, চেন ঝাও, জিনওয়েই ঝৌ, ইউজি লিউ, লিয়াং ইং, আমিন দালি, ইয়াং রেন, ওয়েনকিয়ান জু, জুনজিং ডেং, ইনহুই হোয়াং, সানজুং, চেংহো এবং চেংহো। লরেন্স বার্কলে ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি (ওয়ানলি ইয়াং, কিংটিয়ান লি, এবং জেংকিং ঝুও), জিয়ামেন ইউনিভার্সিটি (জিং-জিং ফ্যান, লিং হুয়াং এবং শি-গ্যাং সান) এবং সিংহুয়া ইউনিভার্সিটি (ডংশেং রেন, জুনিং ফেং এবং মিংগাও ওউয়াং) এর বিজ্ঞানীরা।
আর্গন সেন্টার ফর ন্যানোম্যাটেরিয়ালস সম্পর্কে: সেন্টার ফর ন্যানোম্যাটেরিয়ালস, মার্কিন শক্তি বিভাগের পাঁচটি ন্যানোপ্রযুক্তি গবেষণা কেন্দ্রের মধ্যে অন্যতম, যা মার্কিন শক্তি বিভাগের বিজ্ঞান দপ্তর দ্বারা সমর্থিত আন্তঃবিষয়ক ন্যানোস্কেল গবেষণার জন্য একটি প্রধান জাতীয় ব্যবহারকারী প্রতিষ্ঠান। সম্মিলিতভাবে, এনএসআরসিগুলো পরিপূরক সুবিধার একটি সমষ্টি গঠন করে যা গবেষকদের ন্যানোস্কেল উপকরণ তৈরি, প্রক্রিয়াকরণ, বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ এবং মডেলিং করার জন্য অত্যাধুনিক সক্ষমতা প্রদান করে এবং এটি জাতীয় ন্যানোপ্রযুক্তি উদ্যোগের অধীনে বৃহত্তম অবকাঠামোগত বিনিয়োগের প্রতিনিধিত্ব করে। এনএসআরসিগুলো আর্গন, ব্রুকহেভেন, লরেন্স বার্কলি, ওক রিজ, স্যান্ডিয়া এবং লস অ্যালামোসে অবস্থিত মার্কিন শক্তি বিভাগের জাতীয় গবেষণাগারগুলোতে অবস্থিত। NSRC DOE সম্পর্কে আরও তথ্যের জন্য, https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-aGlance লিঙ্কে যান।
মার্কিন শক্তি বিভাগের অধীনস্থ আর্গন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরিতে অবস্থিত অ্যাডভান্সড ফোটন সোর্স (এপিএস) বিশ্বের অন্যতম উৎপাদনশীল এক্স-রে উৎস। এপিএস পদার্থ বিজ্ঞান, রসায়ন, ঘনীভূত পদার্থবিদ্যা, জীবন ও পরিবেশ বিজ্ঞান এবং ফলিত গবেষণার মতো বিভিন্ন ক্ষেত্রের গবেষকদের উচ্চ-তীব্রতার এক্স-রে সরবরাহ করে। এই এক্স-রে পদার্থ ও জৈবিক কাঠামো, মৌলের বণ্টন, রাসায়নিক, চৌম্বকীয় ও ইলেকট্রনীয় অবস্থা এবং ব্যাটারি থেকে শুরু করে ফুয়েল ইনজেক্টর নজল পর্যন্ত সব ধরনের প্রযুক্তিগতভাবে গুরুত্বপূর্ণ প্রকৌশল ব্যবস্থা অধ্যয়নের জন্য আদর্শ, যা আমাদের জাতীয় অর্থনীতি, প্রযুক্তি এবং শরীরের স্বাস্থ্যের ভিত্তি হিসেবে অপরিহার্য। প্রতি বছর, ৫,০০০-এরও বেশি গবেষক এপিএস ব্যবহার করে ২,০০০-এরও বেশি প্রকাশনা প্রকাশ করেন, যেখানে গুরুত্বপূর্ণ আবিষ্কারের বিস্তারিত বিবরণ থাকে এবং অন্য যেকোনো এক্স-রে গবেষণা কেন্দ্রের ব্যবহারকারীদের তুলনায় আরও গুরুত্বপূর্ণ জৈবিক প্রোটিনের কাঠামোর সমাধান করা হয়। এপিএস-এর বিজ্ঞানী ও প্রকৌশলীরা এমন সব উদ্ভাবনী প্রযুক্তি বাস্তবায়ন করছেন যা অ্যাক্সিলারেটর এবং আলোক উৎসের কর্মক্ষমতা উন্নত করার ভিত্তি তৈরি করে। এর মধ্যে রয়েছে গবেষকদের কাছে মূল্যবান অত্যন্ত উজ্জ্বল এক্স-রে উৎপাদনকারী ইনপুট ডিভাইস, এক্স-রে-কে কয়েক ন্যানোমিটার পর্যন্ত ফোকাস করার লেন্স, পরীক্ষাধীন নমুনার সাথে এক্স-রে-র মিথস্ক্রিয়াকে সর্বাধিক করার যন্ত্র এবং এপিএস-এর আবিষ্কারসমূহের সংগ্রহ ও ব্যবস্থাপনা। গবেষণা বিপুল পরিমাণে ডেটা তৈরি করে।
এই গবেষণায় অ্যাডভান্সড ফোটন সোর্স-এর সম্পদ ব্যবহার করা হয়েছে, যা মার্কিন শক্তি দপ্তরের বিজ্ঞান কার্যালয়ের একটি ব্যবহারকারী কেন্দ্র এবং এটি DE-AC02-06CH11357 চুক্তি নম্বরের অধীনে আর্গন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি দ্বারা পরিচালিত হয়।
আর্গন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি দেশের বিজ্ঞান ও প্রযুক্তির জরুরি সমস্যাগুলো সমাধানে সচেষ্ট। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের প্রথম জাতীয় গবেষণাগার হিসেবে, আর্গন কার্যত প্রতিটি বৈজ্ঞানিক শাখায় অত্যাধুনিক মৌলিক ও ফলিত গবেষণা পরিচালনা করে। আর্গনের গবেষকরা শত শত কোম্পানি, বিশ্ববিদ্যালয় এবং ফেডারেল, রাজ্য ও পৌর সংস্থার গবেষকদের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে কাজ করেন, যাতে তাদের নির্দিষ্ট সমস্যা সমাধানে, মার্কিন বৈজ্ঞানিক নেতৃত্বকে এগিয়ে নিতে এবং জাতিকে একটি উন্নততর ভবিষ্যতের জন্য প্রস্তুত করতে সহায়তা করা যায়। আর্গনে ৬০টিরও বেশি দেশের কর্মী নিযুক্ত আছেন এবং এটি মার্কিন শক্তি দপ্তরের বিজ্ঞান কার্যালয়ের অধীনস্থ ইউশিকাগো আর্গন, এলএলসি দ্বারা পরিচালিত হয়।
মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের শক্তি বিভাগের বিজ্ঞান দপ্তর হলো ভৌত বিজ্ঞানে মৌলিক গবেষণার দেশের বৃহত্তম পৃষ্ঠপোষক, যা আমাদের সময়ের সবচেয়ে জরুরি কিছু সমস্যা সমাধানের জন্য কাজ করে। আরও তথ্যের জন্য, https://energy.gov/science.ience ওয়েবসাইটটি দেখুন।