সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য প্রুশিয়ান ব্লু ক্যাথোড উপকরণের গবেষণার অবস্থা এবং চ্যালেঞ্জগুলি কী কী?

সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি বিদ্যুৎ এবং শক্তি সঞ্চয়ের বাজারে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হচ্ছে। ফলস্বরূপ, লিথিয়াম সম্পদ ক্রমশ দুষ্প্রাপ্য হয়ে উঠছে। সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারি একই নীতিতে কাজ করে এবং লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির সাথে তুলনীয় কর্মক্ষমতা দেখায়। তবে, লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির তুলনায়, সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির বেশ কয়েকটি স্পষ্ট সুবিধা রয়েছে:

• প্রচুর কাঁচামালের মজুদ
• ব্যাপক বিতরণ
• কম খরচে
• পরিবেশগত বন্ধুত্ব
• বিদ্যমানগুলির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি উৎপাদন সরঞ্জাম

এগুলি ভালো শক্তি কর্মক্ষমতা, ব্যাপক তাপমাত্রা অভিযোজনযোগ্যতা, উচ্চ নিরাপত্তা এবং অতিরিক্ত স্রাবের সমস্যা ছাড়াই অফার করে। অতএব, সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলিকে বৃহৎ আকারের শক্তি সঞ্চয়ের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ বিকল্প প্রযুক্তি হিসাবে ব্যাপকভাবে বিবেচনা করা হয়।.

যেহেতু Na⁺ এর আয়নিক ব্যাসার্ধ Li⁺ এর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বড়, তাই লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য উপযুক্ত ক্যাথোড উপকরণগুলি সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য অগত্যা উপযুক্ত নয়। বৃহত্তর আয়ন পরিবহন চ্যানেল সহ ক্যাথোড উপকরণগুলির বিকাশ সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রযুক্তির অগ্রগতির একটি মূল কারণ হয়ে উঠেছে।.

সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য প্রধান ক্যাথোড উপকরণগুলির মধ্যে তিনটি বিভাগ রয়েছে:

• ট্রানজিশন ধাতু অক্সাইড
• পলিয়ানিওনিক যৌগ
• প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ (পিবিএ)

এর মধ্যে, প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ (PBAs) ব্যাপক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। এটি তাদের অনন্য উন্মুক্ত কাঠামো এবং ত্রিমাত্রিক বৃহৎ-চ্যানেল কাঠামোর কারণে। এই বৈশিষ্ট্যগুলি প্রচুর পরিমাণে সোডিয়াম সঞ্চয় স্থান এবং মসৃণ আয়ন সন্নিবেশ/নিষ্কাশন পথ প্রদান করে। ফলস্বরূপ, PBAs বৃহত্তর Na⁺ আয়নগুলিকে ধারণ এবং সংরক্ষণের জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত।.

প্রুশিয়ান নীল এবং প্রুশিয়ান নীল অ্যানালগ ক্যাথোড উপকরণ

প্রুশিয়ান ব্লু (PB) হল একটি আয়রন হেক্সাসায়ানোফেরেট সমন্বয় যৌগ, যা Fe³⁺₄[Fe²⁺(CN)₆]₃⁻ বা Fe²⁺[Fe³⁺(CN)₆]₃⁻, সংক্ষেপে Fe-HCF হিসাবে উপস্থাপিত হয়। সামগ্রিক PB কাঠামোর কাঠামো পরিবর্তন না করে, Fe-কে অন্যান্য ধাতব উপাদান দিয়ে প্রতিস্থাপনের ফলে নতুন যৌগগুলির একটি শ্রেণী তৈরি হয় যা সাধারণত প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ (PBAs) নামে পরিচিত।.

PBA-এর সাধারণ কাঠামোগত সূত্র হল:

NaxM[Fe(CN)₆]₁–y·□y·zH₂O

যেখানে M, Fe, Co, Ni, অথবা Mn এর মতো ট্রানজিশন ধাতু উপাদানগুলিকে প্রতিনিধিত্ব করে; □, Fe(CN)₆ শূন্যস্থানকে নির্দেশ করে; 0 < x < 2; এবং 0 < y < 1।.

PBA-এর স্ফটিক কাঠামোতে একটি অনন্য ত্রিমাত্রিক উন্মুক্ত কাঠামো রয়েছে। এটি যথাক্রমে CN⁻-এর N এবং C পরমাণুর সাথে ট্রানজিশন ধাতু M এবং Fe-এর সমন্বয়ের মাধ্যমে তৈরি হয়। Na⁺ আয়নগুলি আন্তঃস্থায়ী স্থান দখল করে, যখন স্ফটিকের পৃষ্ঠে এবং স্ফটিকের ভিতরে স্ফটিক জল বিদ্যমান থাকে।.

PBA গুলিতে সাধারণত মুখ-কেন্দ্রিক ঘন কাঠামো থাকে। তবে, প্রস্তুতি প্রক্রিয়ার পার্থক্যের ফলে Na⁺ এবং স্ফটিকের জলের পরিমাণের তারতম্য দেখা দেয়। এই পরিবর্তনগুলি স্ফটিক কাঠামোকে মনোক্লিনিক বা রম্বোহেড্রাল সিস্টেমে বিকৃত করতে পারে। যখন CN⁻ এর N পরমাণুর সাথে সংযুক্ত ট্রানজিশন ধাতু M পরিবর্তিত হয়, তখন উপাদানের তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতাও পরিবর্তিত হয়।.

যদি M তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে নিষ্ক্রিয় হয়, যেমন Ni, Zn, অথবা Cu, তাহলে সাইক্লিংয়ের সময় শুধুমাত্র একটি Na⁺ বিপরীতভাবে প্রবেশ করাতে এবং নিষ্কাশন করতে পারে। তাত্ত্বিক ক্ষমতা প্রায় 85 mAh/g। যদি M তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে সক্রিয় হয়, যেমন Fe, Co, অথবা Mn, তাহলে দুটি Na⁺ আয়ন বিপরীত বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করতে পারে। তাত্ত্বিক ক্ষমতা প্রায় 170 mAh/g পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে।.

সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য ক্যাথোড উপকরণ হিসেবে প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগগুলি অনেক সুবিধা প্রদর্শন করে, যার মধ্যে প্রধানত রয়েছে:

1. একটি বৃহৎ ত্রিমাত্রিক চ্যানেল কাঠামো এবং প্রচুর পরিমাণে স্টোরেজ সাইট, যা Na⁺ স্থানান্তর এবং স্টোরেজকে সহজতর করে।.
2. Na⁺ সন্নিবেশ/নিষ্কাশনের সময় ন্যূনতম আয়তনের পরিবর্তন সহ একটি অনমনীয় কাঠামো, যা ভাল সাইক্লিং স্থিতিশীলতার দিকে পরিচালিত করে।.
3. Na⁺ এর জন্য কম মাইগ্রেশন শক্তি বাধা, দ্রুত আয়ন পরিবহন সক্ষম করে এবং শক্তি ঘনত্ব উন্নত করে।.
4. কিছু পরিবর্তিত পদার্থে দুটি রেডক্স ইলেকট্রন জোড়া থাকে, যা উচ্চ নির্দিষ্ট ক্ষমতা প্রদান করে।.
5. সহজ সংশ্লেষণ প্রক্রিয়া এবং কম খরচ, বৃহৎ আকারের উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত।.
6. পরিবেশ বান্ধব, অ-বিষাক্ত এবং দূষণমুক্ত।.

তবে, সংশ্লেষণের পরে PBA-তে প্রায়শই যথেষ্ট স্ফটিক জল এবং Fe(CN)₆ কাঠামোগত ত্রুটি থাকে। জালির জল সোডিয়াম স্টোরেজ সাইট এবং ডিফিউশন চ্যানেল দখল করতে পারে, Na এর পরিমাণ হ্রাস করে এবং আয়ন স্থানান্তরকে ধীর করে দেয়। এটি তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতা দুর্বল করে। এছাড়াও, MHCF কাঠামোতে সমন্বিত জল এবং Fe(CN)₆ শূন্যস্থানগুলি চক্রাকারে কাঠামোগত পতনের কারণ হতে পারে, যা স্থিতিশীলতা হ্রাস করে। অতএব, গবেষকরা কম জলের পরিমাণ, কম ত্রুটি, উচ্চ স্ফটিকতা এবং উন্নত তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতা সহ PBA-গুলি পেতে সংশ্লেষণের রুটগুলি অপ্টিমাইজ করা এবং পরিবর্তন কৌশল প্রয়োগ করা চালিয়ে যাচ্ছেন।.

প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ ক্যাথোড উপকরণের প্রস্তুতি পদ্ধতি

বর্তমানে, সোডিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ব্যবহৃত PBA-এর প্রধান সংশ্লেষণ পদ্ধতিগুলিকে তরল-পর্যায় এবং কঠিন-পর্যায় পদ্ধতিতে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে। তরল-পর্যায় পদ্ধতিতে মূলত সহ-বর্ষণ এবং জলবিদ্যুৎ পদ্ধতি অন্তর্ভুক্ত থাকে, যেখানে কঠিন-পর্যায় পদ্ধতিতে মূলত যান্ত্রিক বল মিলিং জড়িত।.

এর মধ্যে, সহ-বৃষ্টিপাত পদ্ধতিটি পরিচালনা করা সহজ, ভাল প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণযোগ্যতা প্রদান করে এবং বৃহৎ আকারের ক্রমাগত উৎপাদন সক্ষম করে। এর উল্লেখযোগ্য শিল্প প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে এবং বর্তমানে এটি বিশ্ববিদ্যালয়, গবেষণা প্রতিষ্ঠান এবং শিল্প কোম্পানিগুলি দ্বারা PBA ক্যাথোড উপকরণের কর্মক্ষমতা গবেষণা এবং ব্যাপক উৎপাদন উভয়ের জন্য গৃহীত প্রাথমিক পদ্ধতি।.

৩.১ সহ-বৃষ্টিপাত পদ্ধতি

পিবিএ সংশ্লেষণের জন্য সহ-বৃষ্টিপাত পদ্ধতি হল সবচেয়ে প্রাচীন এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত পদ্ধতি। প্রাথমিক প্রস্তুতির জন্য মূলত দ্রুত বৃষ্টিপাত ব্যবহার করা হত। পরবর্তী গবেষণায় দেখা গেছে যে পিবিএগুলির স্ফটিকতা সরাসরি তাদের তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে। স্ফটিকতা উন্নত করার জন্য, চেলেটিং-এজেন্ট-সহায়তা সহ ধীর সহ-বৃষ্টিপাত পদ্ধতি চালু করা হয়েছিল।.

সাধারণ চেলেটিং এজেন্টগুলির মধ্যে রয়েছে ট্রাইসোডিয়াম সাইট্রেট, সোডিয়াম অক্সালেট, সোডিয়াম পাইরোফসফেট এবং ইথিলিনেডিয়ামিনেটেট্রাএসেটিক অ্যাসিড (EDTA)।.

স্ফটিকতা ছাড়াও, MHCF কাঠামোতে স্ফটিকের মতো জলের পরিমাণ, কাঠামোগত ত্রুটি এবং Na উপাদানও তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে। স্ফটিকের মতো জলের পরিমাণ কমাতে, গবেষকরা শুকানোর পদ্ধতিগুলি অপ্টিমাইজ করেন, সংযোজন প্রবর্তন করেন, দ্রাবক সূত্রগুলি সামঞ্জস্য করেন এবং প্রতিক্রিয়া সময় এবং তাপমাত্রা পরিমার্জন করেন।.

যদিও ধীর সহ-বৃষ্টিপাত সময়সাপেক্ষ, এটি সহজ প্রক্রিয়া সমন্বয়ের অনুমতি দেয় এবং উচ্চ-স্ফটিকতা, কম-জল-কন্টেন্ট, কম-ত্রুটি, উচ্চ-সোডিয়াম-কন্টেন্ট PBA-এর সংশ্লেষণকে চমৎকার তড়িৎ-রাসায়নিক কর্মক্ষমতা সহ সক্ষম করে।.

৩.২ হাইড্রোথার্মাল পদ্ধতি

সহ-বৃষ্টিপাতের পাশাপাশি, PBAs (বিশেষ করে FeHCF) সংশ্লেষণের জন্য জলবিদ্যুৎ পদ্ধতি সফলভাবে প্রয়োগ করা হয়েছে। লিউ এবং অন্যান্যরা বিভিন্ন আকারের সাথে FeHCF সংশ্লেষণের জন্য একটি জলবিদ্যুৎ প্রক্রিয়ায় HCl এর বিভিন্ন ঘনত্ব ব্যবহার করেছিলেন।.

১ মিলি HCl যোগ করলে ঘন FeHCF কণা পাওয়া গেল। ২ মিলি HCl ব্যবহার করলে কণার পৃষ্ঠ কিছুটা রুক্ষ হয়ে গেল। ৩ মিলি পর্যন্ত বৃদ্ধি পেলে, আকৃতি গোলাকার কণায় রূপান্তরিত হল। ঘন FeHCF সর্বোত্তম তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করেছে, ৫০০ চক্রের পরে ৭৪১TP3T ধারণক্ষমতা সহ ০.২ A/g এ ১০৭ mAh/g ক্ষমতা প্রদান করেছে। এমনকি ৫ A/g এর উচ্চ কারেন্ট ঘনত্বেও, এটি ৮২ mAh/g ক্ষমতা বজায় রেখেছে।.

3.3 বল মিল পদ্ধতি

বল মিলিং পদ্ধতিতে যান্ত্রিক কম্পন এবং প্রভাব ব্যবহার করে বৃহৎ কণাগুলিকে ন্যানোস্কেল পাউডারে পরিণত করা হয়। এটি কম আন্তঃস্থায়ী জলের পরিমাণ সহ উপকরণ সংশ্লেষণের জন্য উপযুক্ত। প্রক্রিয়াটি সহজ এবং স্ফটিকের জল এবং কণা আকার.

তবে, এই পদ্ধতিতে প্রাপ্ত প্রাথমিক কণাগুলি জমাট বাঁধতে থাকে, কঠিন-কঠিন বিক্রিয়া অসম্পূর্ণ হতে পারে এবং অমেধ্য প্রবেশ করানো যেতে পারে। অতিরিক্তভাবে, বল মিলিং দ্বারা সংশ্লেষিত উপকরণগুলি বর্তমানে তুলনামূলকভাবে সীমিত, প্রধানত FeHCF-এর উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে।.

প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ ক্যাথোড উপকরণের পরিবর্তন

সংশ্লেষণ প্রক্রিয়াগুলি অপ্টিমাইজ করার পাশাপাশি, অন্যান্য উপকরণের সাথে যৌগিক গঠনের মাধ্যমে বা আয়ন ডোপিংয়ের মাধ্যমে PBA গুলিকে পরিবর্তন করা যেতে পারে।.

৪.১ যৌগিক পরিবর্তন

উন্নত পরিবাহিতা, দ্রুত আয়ন পরিবহন, বর্ধিত হার কর্মক্ষমতা এবং দীর্ঘ চক্র জীবন সহ ক্যাথোড কম্পোজিট পেতে PB এবং PBA গুলিকে অন্যান্য উপকরণের (যেমন কার্বন পদার্থ, জৈব পলিমার এবং গ্রাফিন) সাথে একত্রিত করা যেতে পারে।.

কার্বন পদার্থের সাথে যৌগিক
কার্বন পদার্থগুলি কেবল সক্রিয় ইলেকট্রোড পদার্থ হিসেবেই নয় বরং উচ্চ ইলেকট্রনিক পরিবাহিতার কারণে পরিবাহী ম্যাট্রিক্স হিসেবেও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এগুলি পরিবাহিতা বৃদ্ধি করে, কণার সমষ্টি দমন করে, সাইক্লিংয়ের সময় কাঠামোগত স্থিতিশীলতা উন্নত করে এবং Na⁺ সন্নিবেশ/নিষ্কাশনের সময় ইলেকট্রোড সম্প্রসারণ কমাতে বাফারিং ম্যাট্রিক্স হিসেবে কাজ করে। সুতরাং, কার্বন পদার্থ দিয়ে যৌগিক ইলেকট্রোড তৈরি করা ইলেকট্রোকেমিক্যাল কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য একটি কার্যকর কৌশল।.

জৈব পরিবাহী পলিমারের সাথে কম্পোজিট
জৈব পরিবাহী পলিমার (যেমন পলিয়ানিলিন, পলিপাইরোল এবং পলি(৩,৪-ইথিলিনডিওক্সিথিওফিন)) উচ্চ শক্তি সঞ্চয় ক্ষমতা, কম খরচ, সুরেলা ভৌত রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য এবং ভালো পরিবেশগত স্থিতিশীলতার সুবিধা প্রদান করে। এই পলিমারগুলির সাথে PBA-এর মিশ্রণ ইলেকট্রোকেমিক্যাল কর্মক্ষমতা বৃদ্ধির একটি কার্যকর পদ্ধতি।.

গ্রাফিনের সাথে কম্পোজিট
বেশিরভাগ PB এবং PBA উপকরণ দুর্বল পরিবাহিতা এবং কাঠামোগত অস্থিরতায় ভোগে। গ্রাফিন, তার চমৎকার তড়িৎ রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য এবং বৃহৎ নির্দিষ্ট পৃষ্ঠতল এলাকা, প্রচুর প্রান্ত স্থান এবং ত্রুটি সহ, দ্রুত সোডিয়াম-আয়ন পরিবহনকে সহজতর করে এবং PB/PBA এর সাথে মিলিত হলে পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করে।.

৪.২ ডোপিং পরিবর্তন

ডোপিং আরেকটি সাধারণ পরিবর্তন কৌশল। উপযুক্ত ডোপিং ব্যান্ড গ্যাপ এবং মাইগ্রেশন শক্তি বাধা কমাতে পারে, যার ফলে ইলেকট্রন এবং Na⁺ গতিশীলতা বৃদ্ধি পায়।.

বৃহত্তর ব্যাসার্ধের ধাতব আয়ন দিয়ে ডোপিং করলে ল্যাটিসের পরামিতি প্রসারিত হতে পারে, সোডিয়াম স্টোরেজ সাইট বৃদ্ধি পেতে পারে এবং Na⁺ ডিফিউশন চ্যানেলগুলি প্রশস্ত হতে পারে। ইলেক্ট্রোকেমিক্যালি সক্রিয় ধাতব আয়নগুলি প্রবর্তন করলে ক্ষমতা বৃদ্ধি পেতে পারে, অন্যদিকে ইলেক্ট্রোকেমিক্যালি নিষ্ক্রিয় ধাতব আয়নগুলিকে অন্তর্ভুক্ত করলে সাইক্লিং স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য কাঠামোগত স্তম্ভ হিসেবে কাজ করতে পারে।.

PBA-এর ক্ষেত্রে, সাধারণত নাইট্রোজেনের সাথে সমন্বিত ট্রানজিশন মেটাল সাইটে ডোপিং করা হয়। যেহেতু NiHCF চমৎকার সাইক্লিং স্থিতিশীলতা প্রদর্শন করে, তাই Ni ডোপিং প্রায়শই FeHCF, MnHCF এবং CoHCF ক্যাথোড উপকরণ পরিবর্তন করতে ব্যবহৃত হয়।.

উপসংহার

প্রুশিয়ান ব্লু অ্যানালগ ক্যাথোড উপকরণগুলি তাদের অনন্য উন্মুক্ত কাঠামো কাঠামো, প্রচুর পরিমাণে সোডিয়াম সঞ্চয় স্থান এবং বৃহৎ সোডিয়াম-আয়ন স্থানান্তর চ্যানেলের কারণে চমৎকার সোডিয়াম সঞ্চয় কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করে। তবে, সংশ্লেষণের সময়, স্ফটিক জল এবং Fe(CN)₆ শূন্যস্থান সহজেই তৈরি হয়, যা তাৎপর্যপূর্ণভাবে তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে।.

যদিও সংশ্লেষণ প্রক্রিয়াগুলি অপ্টিমাইজ করা, অন্যান্য উপকরণের সাথে কম্পোজিট তৈরি করা এবং আয়ন ডোপিং প্রয়োগ সোডিয়াম স্টোরেজ কর্মক্ষমতা উন্নত করতে পারে, তবুও বৃহৎ আকারের শিল্প উৎপাদন অর্জনের জন্য আরও গবেষণা প্রয়োজন।.

---

"পড়ার জন্য ধন্যবাদ। আশা করি আমার লেখাটি আপনার কাজে লাগবে। অনুগ্রহ করে নিচে একটি মন্তব্য করুন। আরও যেকোনো প্রশ্নের জন্য আপনি Zelda অনলাইন গ্রাহক প্রতিনিধির সাথেও যোগাযোগ করতে পারেন।"

— পোস্ট করেছেন এমিলি চেন

---