
লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির কাজের পদ্ধতি তাদের অভ্যন্তরীণ রাসায়নিক বিক্রিয়ার উপর তাপমাত্রার প্রভাবের উপর খুব বেশি নির্ভর করে। যখন ঘরের তাপমাত্রার (যা প্রায় 77°F) চেয়ে মাত্র 10 ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়, তখন ভিতরের আয়নগুলি 40 থেকে 50 শতাংশ দ্রুত চলাচল করে। এটি ব্যাটারিকে আরও ভালোভাবে বিদ্যুৎ পরিবহন করতে সাহায্য করে কিন্তু সময়ের সাথে সাথে অংশগুলি ক্ষয় হওয়ার কারণও হতে পারে। যখন তাপমাত্রা 70°C (প্রায় 158°F)-এর বেশি হয় তখন অবস্থা আরও খারাপ হয়ে যায়। এই পর্যায়ে, কঠিন তড়িৎদ্বার আন্তঃপৃষ্ঠ (SEI) স্তর নামে পরিচিত কিছু ভেঙে পড়া শুরু হয়। ইলেকট্রোডগুলিকে নিরাপদে রাখার জন্য এই সুরক্ষামূলক আবরণটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ, তাই এটি নষ্ট হয়ে গেলে ব্যাটারির ধারণক্ষমতা চিরতরে কমে যায়। অন্যদিকে, শীতকালও সমস্যা তৈরি করে। 5°C-এর (প্রায় 41°F) নিচে, ব্যাটারির ভিতরের তরলটি অনেক বেশি ঘন হয়ে যায়, ফলে আয়নগুলি তার মধ্য দিয়ে চলাচল করতে কষ্ট পায়। এর অর্থ হল কম পাওয়ার, ব্যাটারি যা প্রকৃতপক্ষে সরবরাহ করতে পারে তার মাত্র 15 থেকে 30 শতাংশ হ্রাস।
যখন তাপমাত্রা হিমাঙ্কের নীচে নেমে আসে, তখন ব্যাটারি কিছু গুরুতর চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়। -20 ডিগ্রি সেলসিয়াসের (-4 ফারেনহাইট) কাছাকাছি তাপমাত্রায় ভিতরের ইলেক্ট্রোলাইট অনেক ঘন হয়ে যায়, যা এর সান্দ্রতা 300 থেকে 500 শতাংশ পর্যন্ত বৃদ্ধি করে। একই সঙ্গে, চার্জ গ্রহণের ক্ষমতা প্রায় 60% হ্রাস পায়। এই সমস্যাগুলি একত্রে স্বাভাবিক কক্ষ তাপমাত্রার তুলনায় অভ্যন্তরীণ রোধকে 200 থেকে 400 শতাংশ পর্যন্ত আকাশছোঁয়া করে তোলে। ফলস্বরূপ, 48 ভোল্টের লিথিয়াম আয়ন সিস্টেমগুলিকে ঠিকঠাক কাজ করতে অতিরিক্ত প্রচেষ্টা চালাতে হয়। আর্কটিক অঞ্চলে চলমান বৈদ্যুতিক গাড়িগুলির প্রকৃত কর্মদক্ষতার সংখ্যা পর্যালোচনা করলে আরও একটি উদ্বেগজনক বিষয় দেখা যায়। 2023 সালে ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল সোসাইটি কর্তৃক প্রকাশিত গবেষণা অনুযায়ী, চালকদের এই সমস্ত সমস্যার কারণে তাদের সাধারণ চালনা পরিসরের প্রায় এক চতুর্থাংশ হারাতে হয়।
যখন ব্যাটারি গুলি 45 ডিগ্রি সেলসিয়াস (প্রায় 113 ফারেনহাইট) এর মতো গরম পরিবেশে অনেক দিন ধরে রাখা হয়, তখন তারা সাধারণের চেয়ে দ্রুত ক্ষয় হতে শুরু করে। আদর্শ অবস্থার তুলনায় এর আয়ু প্রায় দেড় গুণ কমে যায়। 2023 সালের তাপীয় বার্ধক্য সংক্রান্ত সদ্য পরীক্ষায় একটি গুরুত্বপূর্ণ তথ্য উঠে এসেছে: এই উচ্চ তাপমাত্রায় চলমান ব্যাটারি গুলি মাত্র 150 বার চার্জ করার পরেই তাদের ক্ষমতার প্রায় 15% হারায়, অন্যদিকে ঘরের তাপমাত্রায় (প্রায় 25°C) রাখা ব্যাটারি গুলির ক্ষমতা মাত্র 6% কমে। আরও একটি সমস্যা অদৃশ্য হয়ে ঘটছে। একবার তাপমাত্রা 40 ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি হওয়ার পর, এই ব্যাটারি গুলির ভিতরের SEI স্তর সাধারণের চেয়ে তিন গুণ বেশি দ্রুত বাড়তে শুরু করে। এর অর্থ হল আরও বেশি লিথিয়াম আয়ন চিরতরে আটকে যাচ্ছে, ফলে সময়ের সাথে সাথে ব্যাটারি কোষগুলির মধ্যে ব্যবহারযোগ্য উপকরণের পরিমাণ ধীরে ধীরে কমে যাচ্ছে।
যখন হিমাঙ্কের নিচে তাপমাত্রায় ব্যাটারি চার্জ হয়, তখন লিথিয়াম আয়নগুলির আচরণে ভুল হয়। অ্যানোড উপকরণের মধ্যে তাদের সঠিক অবস্থানে প্রবেশ না করে, তারা পৃষ্ঠের উপর ধাতব আস্তরণ গঠন শুরু করে। এর পরে কী ঘটে? ভালো করে বললে, এই আস্তরণগুলি সমস্যা তৈরি করে। এগুলি আসলে শর্ট সার্কিটের সম্ভাবনা প্রায় 80% বাড়িয়ে দেয়, যা বেশ গুরুতর। এছাড়াও, এগুলি ব্যাটারির মোট ধারণক্ষমতা সময়ের সাথে দ্রুত হ্রাস করে। সৌভাগ্যক্রমে, এখন কয়েকটি ডায়াগনস্টিক টুল পাওয়া যায় যেগুলি খারাপ হওয়ার আগেই ধাতব জমার এই প্রাথমিক লক্ষণগুলি শনাক্ত করে। এই সমস্যার সাথে যুক্ত কোম্পানিগুলির বাইরের তাপমাত্রা ঠাণ্ডা হয়ে গেলে ব্যাটারি চার্জ করার গতি সম্পর্কে খুব কঠোর নিয়ম প্রবর্তন করতে হয়েছে। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে পরিবেশের তাপমাত্রা পাঁচ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে নেমে গেলে সর্বোচ্চ চার্জ হার 0.2C-এর বেশি নির্ধারণ করা হয়।
48V লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির তাপীয় আচরণ এটি কোথায় ব্যবহৃত হয় তার উপর নির্ভর করে অনেকটাই পরিবর্তিত হয়। উদাহরণস্বরূপ, বেশিরভাগ ইলেকট্রিক গাড়ি আজকের মডেলগুলি হাইওয়েতে চালানোর সময় ব্যাটারি প্যাকগুলিকে 40 ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে রাখতে পরোক্ষ তরল শীতলীকরণের উপর নির্ভর করে। এটি 1000টি পূর্ণ চার্জ চক্র শেষেও মূল ব্যাটারি ধারণক্ষমতার প্রায় 98 শতাংশ সংরক্ষণ করতে সাহায্য করে। তবে মরুভূমি অঞ্চলে অবস্থিত নবায়নযোগ্য শক্তি সঞ্চয় স্থাপনের ক্ষেত্রে বিষয়গুলি আরও জটিল হয়ে ওঠে। এই সিস্টেমগুলি প্রায়শই 45 ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি পরিবেশগত তাপমাত্রার সম্মুখীন হয়। ফলাফল? শীতল অঞ্চলে রাখা অনুরূপ ইউনিটগুলির তুলনায় ব্যাটারির ধারণক্ষমতা প্রায় 12% দ্রুত কমে যায়। এই সমস্যাগুলি মোকাবেলা করতে, উৎপাদনকারীরা উন্নত ব্যাটারি ম্যানেজমেন্ট সিস্টেম বা সংক্ষেপে BMS তৈরি করেছেন। এই স্মার্ট সিস্টেমগুলি স্বয়ংক্রিয়ভাবে চার্জিং গতি সামঞ্জস্য করে এবং যখনই পৃথক কোষগুলি খুব গরম হতে শুরু করে, সাধারণত 35 ডিগ্রি সেলসিয়াসের কাছাকাছি, তখন শীতলীকরণ ব্যবস্থা চালু করে। চ্যালেঞ্জপূর্ণ পরিবেশে ব্যাটারির আয়ু বাড়ানোর জন্য এই প্রযুক্তিকে শিল্প বিশেষজ্ঞরা গুরুত্বপূর্ণ হিসাবে দেখেন।
২০২৩ সালের একটি গবেষণা অনুযায়ী, যেসব গুদামজাত রোবটে 48 ভোল্টের ব্যাটারি ব্যবহৃত হয়েছিল এবং যেগুলি প্রতিদিন শীতলতম -১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস থেকে শুরু করে ৫০ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপমাত্রার পরিবর্তনের সম্মুখীন হয়েছিল, মাত্র ১৮ মাসের মধ্যে তাদের শক্তির ২৫ শতাংশ হারিয়ে ফেলেছিল। নিয়ন্ত্রিত আবহাওয়ায় রাখা ব্যাটারির তুলনায় এই ধরনের ক্ষয় ছিল তিন গুণ বেশি দ্রুত। গবেষকরা যখন এই ব্যর্থ ব্যাটারিগুলি ভেঙে পরীক্ষা করেন, তখন তারা ঠাণ্ডা অবস্থায় মেশিন চালু করার সময় লিথিয়াম প্লেটিং-এর মতো সমস্যা এবং উচ্চ তাপমাত্রায় সেপারেটরগুলি সঙ্কুচিত হওয়ার মতো ঘটনা লক্ষ্য করেন। অন্যদিকে, তাপ নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থা সহ শিল্প ব্যাটারি অনেক ভালো কাজ করেছে। এই ব্যাটারিগুলিতে বিশেষ ফেজ চেঞ্জ ম্যাটেরিয়াল ব্যবহার করা হয়েছিল যা 2000 চার্জ চক্রের মধ্যে তাদের তড়িৎ রোধকে প্রায় ±3 শতাংশের মধ্যে স্থিতিশীল রাখতে সাহায্য করেছিল। এটি স্পষ্টভাবে দেখায় যে কঠোর পরিবেশগত অবস্থায় কাজ করা ব্যাটারির জন্য উপযুক্ত তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ বজায় রাখা কতটা গুরুত্বপূর্ণ।
40°C এর উপরে কাজ করলে 25°C এর তুলনায় চক্র জীবন 40% পর্যন্ত হ্রাস পায় (Nature 2023)। উচ্চ তাপমাত্রা SEI স্তরকে অস্থিতিশীল করে তোলে এবং তাপীয় বিয়োজনকে উৎসাহিত করে, যা ধারণক্ষমতার চিরস্থায়ী ক্ষতির কারণ হয়। 45°C তাপমাত্রায় 300টি চক্রের মধ্যে ক্যাথোডের ভাঙন এবং তড়িৎদ্বারের জারণের কারণে ব্যাটারি তার প্রাথমিক ধারণক্ষমতার 15–20% হারাতে পারে।
উচ্চ তাপমাত্রা তিনটি প্রধান ব্যর্থতার পথ শুরু করে:
এই তাপবর্ধক বিক্রিয়াগুলি একটি আত্ম-নির্ভরশীল ধারা তৈরি করতে পারে। গবেষণায় দেখা গেছে যে 30°C এর উপরে প্রতি 10°C তাপমাত্রা বৃদ্ধি হলে অ্যানোডে লিথিয়াম প্লেটিংয়ের হার দ্বিগুণ হয়—যা তাপীয় অসামঞ্জস্যের একটি প্রধান পূর্বসূরি।
লিথিয়াম আয়ন কোষগুলি 150 ডিগ্রি সেলসিয়াসের কাছাকাছি তাপমাত্রায় পৌঁছালে গুরুতর সমস্যায় পড়ে। সেই মুহূর্তে এগুলি তাপীয় অসামঞ্জস্যে চলে যায়, যা মূলত একটি শৃঙ্খল বিক্রিয়া যেখানে উৎপন্ন তাপ পলায়নের চেয়ে দ্রুত তাপ সঞ্চয় হতে থাকে। ফলাফল কী? শিল্পের বিভিন্ন গবেষণা অনুযায়ী, কোষগুলি কয়েক সেকেন্ডের মধ্যে গ্যাস নির্গত করতে পারে, আগুন ধরে যেতে পারে বা এমনকি বিস্ফোরিতও হতে পারে। তবে আধুনিক ব্যাটারি ম্যানেজমেন্ট সিস্টেম এই ধরনের সমস্যা কমাতে অবশ্যই সাহায্য করেছে। গত বছরের এনার্জি স্টোরেজ নিউজ অনুযায়ী, 2018 সালের পর থেকে এমন ঘটনাগুলির প্রায় 97 শতাংশ হ্রাস পেয়েছে বলে উৎপাদকরা জানিয়েছেন। তবুও, 48 ভোল্ট সিস্টেমগুলি কিছু অত্যন্ত বিপজ্জনক ব্যর্থতার পরিস্থিতির প্রতি বিশেষভাবে সংবেদনশীল, যার মধ্যে রয়েছে:
| ঝুঁকির মাত্রা | প্রভাব সীমা | ফলস্বরূপ |
|---|---|---|
| বিভাজক গলন | 130°C | অভ্যন্তরীণ শর্ট সার্কিট |
| ইলেক্ট্রোলাইট দহন | ২০০°সে. | শিখা প্রসারণ |
| ক্যাথোডের বিয়োজন | 250°C | বিষাক্ত গ্যাস নির্গমন |
উচ্চ তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে ভয়াবহ ফলাফল প্রতিরোধের জন্য সক্রিয় শীতলীকরণ এবং অবিরত তাপীয় নিরীক্ষণ অপরিহার্য।
আয়নীকরণ ব্যাটারি ঠাণ্ডা পড়লে খুব কমজোর হয়ে পড়ে, কারণ তাপমাত্রা কমার সাথে সাথে এর ভিতরের আয়নগুলি বেশি প্রতিরোধের মুখোমুখি হয়। যখন আমরা শূন্যের নিচে 20 ডিগ্রি সেলসিয়াস (যা প্রায় শূন্যের নিচে 4 ফারেনহাইট) এর মতো কিছু নিয়ে কথা বলি, তখন ঘরের তাপমাত্রায় সাধারণ ধারণক্ষমতার তুলনায় ব্যাটারির ক্ষমতা প্রায় 60% এ নেমে আসে। ভোল্টেজও প্রায় 30% কমে যায়। এটি বৈদ্যুতিক গাড়ি বা গ্রিড থেকে দূরে সৌর শক্তি সঞ্চয় ব্যবস্থার মতো জিনিসগুলির জন্য খুবই গুরুত্বপূর্ণ। এই ধরনের যন্ত্রগুলির প্রয়োজন ধ্রুব শক্তির, যদিও প্রকৃতি তার সবচেয়ে খারাপ শীতকালীন আবহাওয়া নিয়ে এসে হানা দেয়, কিন্তু ঠাণ্ডা আবহাওয়া তা অর্জন করা অনেক বেশি কঠিন করে তোলে।
যখন ব্যাটারিগুলি হিমাঙ্কের নিচে চার্জ হয় (ফারেনহাইট ব্যবহারকারীদের জন্য 32°F), তখন মূলত দুটি বড় সমস্যা দেখা দেয়। প্রথমত, লিথিয়াম প্লেটিং নামে একটি ঘটনা ঘটে যেখানে ধাতব লিথিয়াম ব্যাটারির ঋণাত্মক ইলেকট্রোডে জমা হয়। এটা শুধু বিরক্তিকর নয়—ব্যাটারি ইউনিভার্সিটির গবেষণা অনুসারে এটি ঘটার প্রতিবারই ব্যাটারি তার মোট ক্ষমতার প্রায় 15 থেকে 20% চিরতরে হারায়। তারপর আমাদের কাছে ইলেকট্রোলাইটের সমস্যা রয়েছে। মাইনাস 30 ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায়, ব্যাটারির ভিতরের তরল স্বাভাবিকের তুলনায় প্রায় আট গুণ ঘন হয়ে যায়। কল্পনা করুন, যখন এটি স্বাভাবিকভাবে প্রবাহিত হওয়া উচিত, তখন আপনি একটি খড়ের মাধ্যমে মধু ঢালার চেষ্টা করছেন। ঘন হওয়া ইলেকট্রোলাইট আয়নগুলির সঠিকভাবে চলাফেরা করা খুব কঠিন করে তোলে, তাই ব্যাটারি পুরোপুরি চার্জ হয় না। বেশিরভাগ শিল্প ব্যাটারি সেটআপে এই ধরনের সমস্যা এড়ানোর জন্য অন্তর্নির্মিত হিটিং এলিমেন্ট বা অন্যান্য তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ থাকে। কিন্তু সাধারণ ভোক্তা চার্জারগুলি? সাধারণত তাদের কোনো এমন নিরাপত্তা ব্যবস্থা থাকে না, যা ব্যাখ্যা করে যে কেন অনেক মানুষ তাদের ব্যাটারি ক্ষতিগ্রস্ত হয়ে যাওয়ার বিষয়টি এমনকি বুঝতে পারে না।
ক্ষেত্র পরীক্ষায় দেখা গেছে যে আর্কটিক শক্তি ইনস্টলেশনে তাপ-নিয়ন্ত্রিত আবদ্ধ খাম অপরিচালিত সিস্টেমগুলির তুলনায় সাইকেল আয়ু 23% বাড়িয়ে দেয়।
বৈদ্যুতিক বিমান চলাচলে 2025 সালের শিল্প গবেষণা অনুযায়ী, 48V লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য অপটিমাল অপারেটিং পরিসর হল 20°C থেকে 30°C (68°F থেকে 86°F)। 15°C এর নিচে চললে ব্যবহারযোগ্য ক্ষমতা 20–30% কমে যায়; 40°C এর ঊর্ধ্বে দীর্ঘসময় চালনা কক্ষ তাপমাত্রার তুলনায় ইলেক্ট্রোলাইট বিয়োজনকে চারগুণ ত্বরান্বিত করে।
আধুনিক BMS ছড়িয়ে থাকা তাপমাত্রা সেন্সর এবং অভিযোজিত অ্যালগরিদম একীভূত করে তাপীয় ভারসাম্য বজায় রাখে। 2021 সালের একটি বহুস্তরীয় ডিজাইন গবেষণা দেখিয়েছে যে গতিশীল লোড বন্টন এবং চার্জ হার মডুলেশনের মাধ্যমে উন্নত BMS প্যাকের ভিতরে তাপীয় ঢাল কমায় 58%।
আধুনিক প্রকৌশলীরা দশমিক পরিবর্তনের উপাদানগুলি কাজে লাগাচ্ছেন যা হঠাৎ তাপের ঝাঁক এলে প্রতি কিলোগ্রামে 140 থেকে 160 কিলোজুল পর্যন্ত শোষণ করতে পারে, যা সেরামিক অন্তরণ স্তরের সাথে যুক্ত যা তাপ পরিবহন করে না (মাত্র 0.03 ওয়াট প্রতি মিটার কেলভিন)। তরল শীতলীকরণ প্লেটগুলিও জিনিসগুলিকে ঠাণ্ডা রাখে, এমনকি গত বছরের তাপীয় স্থিতিশীলতা পরীক্ষায় অত্যন্ত 2C দ্রুত চার্জিং পরিস্থিতিতেও পৃষ্ঠের তাপমাত্রা 5 ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি বৃদ্ধি না হওয়া নিশ্চিত করে। ক্ষেত্রে যেকোনো আবহাওয়া বা পরিচালনার শর্তের মুখোমুখি হওয়া সত্ত্বেও ব্যাটারিগুলি সঙ্গতিপূর্ণভাবে ভালো কাজ করার অর্থ এই সমস্ত উপাদানগুলি একসাথে কাজ করে।