অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার ব্যাটারির কাজের নীতি
একটি অ্যালুমিনিয়াম-বায়ু কোষে একটি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোড, একটি বায়ু ক্যাথোড এবং একটি জলীয় ইলেক্ট্রোলাইট থাকে, সাধারণত পটাসিয়াম হাইড্রক্সাইড বা সোডিয়াম হাইড্রক্সাইড। অ্যানোডে, অ্যালুমিনিয়াম দ্রবীভূত হয় এবং প্রতি পরমাণুতে তিনটি ইলেকট্রন ছেড়ে দেয়; ক্যাথোডে, পরিবেষ্টিত বায়ু থেকে অক্সিজেন হ্রাস করা হয়। সামগ্রিক প্রতিক্রিয়া 4Al + 3O2 + 6H2O থেকে 4Al(OH)3 একটি খোলা-সার্কিট ভোল্টেজ দেয় তত্ত্বে 2.7 V এর কাছাকাছি, যখন ব্যবহারিক কোষগুলি মেরুকরণের ক্ষতির কারণে প্রায় 1.2 থেকে 1.6 V তে কাজ করে। যেহেতু ক্যাথোড সক্রিয় উপাদান, অক্সিজেন, কোষের অভ্যন্তরে সঞ্চিত হওয়ার পরিবর্তে বায়ু থেকে অবাধে নেওয়া হয়, ব্যাটারিটি শুধুমাত্র অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোডের উপর ভিত্তি করে 8.1 kWh/kg এর কাছাকাছি একটি তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট শক্তিতে পৌঁছাতে পারে, প্রায় 2,980 Ah প্রতি কিলোগ্রাম অ্যালুমিনিয়াম 2.7 V এ, লিওনিয়ামের কয়েকগুণ।
শক্তি সঞ্চয়স্থানের জন্য অ্যালুমিনিয়াম কেন গুরুত্বপূর্ণ
অ্যালুমিনিয়াম হল পৃথিবীর ভূত্বকের মধ্যে সবচেয়ে প্রচুর পরিমাণে ধাতু এবং বিশ্বব্যাপী শিল্প স্কেলে উত্পাদিত হয়, যা অ্যানোডের খরচ কম রাখে এবং সরবরাহ চেইন স্থিতিশীল রাখে। নিঃসরণ পণ্যটি হল অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রোক্সাইড, একটি ক্ষতিকারক যৌগ যা স্মেল্টারে ফিরিয়ে আনা যায় এবং হল{1}}হেরোল্ট প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ধাতুতে রূপান্তরিত করা যায়, তাই উপাদান লুপটি বন্ধ এবং পুনর্ব্যবহারযোগ্য। লিথিয়াম-আয়ন প্যাকের সাথে তুলনা করে, অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার সিস্টেমগুলি জল-ভিত্তিক, অ-দাহ্য ইলেক্ট্রোলাইট ব্যবহার করে, যা তাপীয় পলাতকের ঝুঁকি দূর করে এবং তাপ ব্যবস্থাপনাকে সহজ করে। এই বৈশিষ্ট্যগুলি অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য রসায়নকে আকর্ষণীয় করে তোলে যেখানে দীর্ঘ পরিসর, কম খরচ এবং নিরাপত্তার বিষয়টি সর্বোচ্চ শক্তির চেয়ে বেশি।
উপাদান এবং কোষ উপাদান
অ্যানোড সাধারণত উচ্চ-বিশুদ্ধতার অ্যালুমিনিয়াম 99.5% বা তার বেশি, প্লেট বা ভারী ফয়েল হিসাবে সরবরাহ করা হয়, প্রায়ই ক্ষারীয় ইলেক্ট্রোলাইটে প্যাসিভেশন এবং পরজীবী হাইড্রোজেন বিবর্তনকে দমন করার জন্য অল্প পরিমাণে গ্যালিয়াম, ইন্ডিয়াম, টিন বা ম্যাগনেসিয়াম দিয়ে মিশ্রিত করা হয়। এয়ার ক্যাথোড হল একটি ছিদ্রযুক্ত কার্বন স্তর যা একটি অনুঘটক যেমন ম্যাঙ্গানিজ ডাই অক্সাইড দ্বারা লোড হয়, যা একটি ধাতব বর্তমান সংগ্রাহক দ্বারা সমর্থিত এবং অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল সাধারণত পরিবাহী স্তর বা অ্যানোড ফাঁকা হিসাবে কাজ করে। ইলেক্ট্রোলাইট সিস্টেমগুলি উচ্চ-হারে অপারেশনের জন্য ঘনীভূত KOH থেকে দীর্ঘ-জীবনের কম- হারের কোষগুলির জন্য লবণাক্ত সমাধান পর্যন্ত পরিবর্তিত হয়। গ্যাস ডিফিউশন ইলেক্ট্রোডের নকশা এবং কার্বনেট বৃষ্টিপাতের ব্যবস্থাপনা হল কোষের বিকাশে দুটি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ইঞ্জিনিয়ারিং কাজ।
রিপোর্ট করা কর্মক্ষমতা এবং ডেমোনস্ট্রেশন ডেটা
পরীক্ষাগার কোষগুলি কোষ স্তরে 400 থেকে 800 Wh/kg পরিসরে নির্দিষ্ট শক্তির রিপোর্ট করেছে এবং সিস্টেমের প্রদর্শনগুলি যান্ত্রিকভাবে রিচার্জেবল ডিজাইনের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে। 2013 সালের একটি ব্যাপকভাবে রিপোর্ট করা রাস্তা প্রদর্শনে, প্রায় 50 কেজি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোড প্লেট দিয়ে সজ্জিত একটি ছোট শহরের গাড়িকে প্রায় 1,600 কিমি ভ্রমণ করার দাবি করা হয়েছিল, ইলেক্ট্রোলাইট বজায় রাখতে পর্যায়ক্রমে জল যোগ করা হয়েছিল। অ্যালুমিনিয়াম খরচ মৌলিকভাবে ক্ষমতার সাথে যুক্ত: কারণ প্রতিটি কিলোগ্রাম অ্যালুমিনিয়াম প্রায় 2,980 Ah এর একটি তাত্ত্বিক চার্জ বহন করে, একটি সেল 1.4 V এর গড় নিঃসরণে প্রায় 4.2 kWh বৈদ্যুতিক শক্তি পাওয়া যায় প্রতি কিলোগ্রাম গ্রাস করা অ্যানোড এবং ওভারহেড সিস্টেমে ইলেক্ট্রোহেড যোগ করার আগে। এটি প্যাক স্তরে প্রায় 0.25 থেকে 0.30 kWh/kg লিথিয়াম{15}আয়ন কোষের সাথে তুলনা করে, যদিও তুলনা অবশ্যই সম্পূর্ণ অ্যালুমিনিয়াম{16}এয়ার সিস্টেমের ওজনকে অন্তর্ভুক্ত করতে হবে।
বৈদ্যুতিক-যানবাহন অ্যাপ্লিকেশনের জন্য মূল চ্যালেঞ্জ
ল্যাবরেটরি সেল এবং বাণিজ্যিক বৈদ্যুতিক যানবাহনের মধ্যে চারটি বাধা দাঁড়িয়ে আছে। প্রথমত, বিদ্যুতের ঘনত্ব বায়ু ক্যাথোডে অক্সিজেন হ্রাস গতিবিদ্যা দ্বারা সীমিত, তাই অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার ব্যাটারিগুলি দ্রুত ত্বরণের চেয়ে স্থির নিঃসরণ ভাল করে। দ্বিতীয়ত, অ্যালুমিনিয়াম ক্ষারীয় ইলেক্ট্রোলাইটে ক্ষয় করে, হাইড্রোজেন ছেড়ে দেয় এবং উপাদান নষ্ট করে, যা খাদ অপ্টিমাইজেশান এবং ইলেক্ট্রোলাইট সংযোজন দাবি করে। তৃতীয়ত, ব্যাটারি প্রচলিত অর্থে বৈদ্যুতিকভাবে রিচার্জেবল নয়; রিফুয়েলিং মানে অ্যানোড কার্টিজ প্রতিস্থাপন এবং হাইড্রক্সাইড পুনর্ব্যবহার করা, যার জন্য একটি নতুন পরিষেবা পরিকাঠামো প্রয়োজন। চতুর্থত, কার্বনেট গঠন এবং অনুঘটক নিষ্ক্রিয়করণের মাধ্যমে সময়ের সাথে সাথে বায়ু ক্যাথোড হ্রাস পায়, পরিষেবা জীবনকে ছোট করে। এই কারণে, বর্তমান গবেষণা হাইব্রিড কনফিগারেশনকে লক্ষ্য করে যেখানে একটি ছোট লিথিয়াম-আয়ন বাফার সর্বোচ্চ শক্তি পরিচালনা করে যখন অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার ইউনিট ক্রুজিং এনার্জি সরবরাহ করে, এবং বিশেষ অ্যাপ্লিকেশন যেমন ব্যাকআপ পাওয়ার এবং দীর্ঘ-পরিসরের ভারী পরিবহন।
FAQ
প্রশ্ন: একটি অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার ব্যাটারি কীভাবে কাজ করে?
A:এটি একটি জলীয় ইলেক্ট্রোলাইটে পরিবেষ্টিত বায়ু থেকে অক্সিজেনের সাথে একটি অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোডকে অক্সিডাইজ করে, একটি বহিরাগত সার্কিটের মাধ্যমে ইলেকট্রন মুক্ত করে এবং স্রাব পণ্য হিসাবে অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইড তৈরি করে।
প্রশ্ন: অ্যালুমিনিয়াম-বায়ুর তাত্ত্বিক শক্তির ঘনত্ব কী?
A:শুধুমাত্র অ্যালুমিনিয়াম অ্যানোডের উপর ভিত্তি করে এটি প্রায় 8.1 kWh/kg, 2.7 V এ প্রায় 2,980 Ah/kg, লিথিয়াম-আয়নের কয়েকগুণ; ব্যবহারিক কোষগুলি নিম্ন কিন্তু এখনও প্রতিযোগিতামূলক মান অর্জন করে।
প্রশ্নঃ কোষ কতটা অ্যালুমিনিয়াম গ্রহণ করে?
A:প্রতি কিলোগ্রাম অ্যালুমিনিয়াম প্রায় 2,980 Ah চার্জ বহন করে, তাই 1.4 V এর গড় ডিসচার্জ ভোল্টেজে সেলটি সিস্টেম ওভারহেডের আগে এটিকে প্রায় 4.2 kWh বিদ্যুতে রূপান্তরিত করে।
প্রশ্ন: অ্যালুমিনিয়াম-এয়ার ব্যাটারি কি বৈদ্যুতিকভাবে রিচার্জ করা যায়?
A:প্রচলিত অর্থে নয়; অ্যানোড গ্রাস করা হয় এবং যান্ত্রিকভাবে প্রতিস্থাপন করা আবশ্যক, যখন অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রোক্সাইডকে হল-হেরোল্ট প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ধাতুতে পুনরায় ব্যবহার করা হয়।
প্রশ্ন: কেন তারা এখনও বৈদ্যুতিক যানবাহনে সাধারণ নয়?
A:সীমিত শক্তির ঘনত্ব, ক্ষারীয় ইলেক্ট্রোলাইটে অ্যানোডের ক্ষয়, বায়ু-ক্যাথোডের অবক্ষয় এবং রিফুয়েলিং অবকাঠামোর অভাব বর্তমানে তাদের গবেষণা প্রোগ্রাম, হাইব্রিড ডিজাইন এবং স্থির অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সীমাবদ্ধ করে।
প্রশ্ন: এই ব্যাটারিতে অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল কী ভূমিকা পালন করে?
A:উচ্চ-বিশুদ্ধতা অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল এবং পাতলা শীট অ্যানোড ফাঁকা এবং বর্তমান সংগ্রাহকদের জন্য ব্যবহার করা হয়, যে কারণে ফয়েল এবং শীট নির্মাতারা এই প্রযুক্তির বিকাশ ঘনিষ্ঠভাবে ট্র্যাক করে।