মায়া লে থাইয়ের ২ লাখ চক্রের ব্যাটারি পরীক্ষা: ইউসিআইয়ের যুগান্তকারী সাফল্যে যা অর্জিত হয়েছে

অসাধারণ ফলের তিন মাসের পরীক্ষা

ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়, আরভাইনের একটি গবেষণাগারে ডক্টরাল গবেষক মায়া লে থাই পরীক্ষামূলক একটি ইলেকট্রোডকে বারবার চার্জ ও ডিসচার্জ করেন, যতক্ষণ না সেটি ২ লাখ চক্রে পৌঁছায়। তিন মাস পর গবেষকেরা ধারণক্ষমতা বা শক্তির কোনো ঘাটতি শনাক্ত করেননি এবং কোনো ন্যানোতারে ফাটলও পাননি। গবেষণাটি ACS Energy Letters-এ প্রকাশিত হলে ইউসিআই ২০১৬ সালের ২০ এপ্রিল ফলাফলটি ঘোষণা করে।

উপাদানটিতে ছিল সোনার ন্যানোতার, ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইডের আবরণ এবং প্লেক্সিগ্লাসের মতো একটি জেল ইলেকট্রোলাইট। এর স্থায়িত্ব একটি দীর্ঘদিনের সমস্যার সম্ভাব্য সমাধান দেয়: বৈদ্যুতিক শক্তি সঞ্চয়ে কাজে লাগে এমন সূক্ষ্ম তার বারবার ব্যবহারে ফেটে যাওয়ার প্রবণতা দেখায়।

আবিষ্কারটি থেকে এমন চমকপ্রদ দাবিও আসে যে ভবিষ্যতে ল্যাপটপের ব্যাটারি ৪০০ বছর টিকতে পারে। ধরে নেওয়া একটি ব্যবহার-হারের ভিত্তিতে পরীক্ষার চক্রসংখ্যাকে বছরে রূপান্তর করেই এই হিসাব করা হয়েছে। প্রকৃত অর্জন ছিল, তিন মাসের পরীক্ষায় ২ লাখ চক্র টিকে থাকা একটি গবেষণাগার-পর্যায়ের ইলেকট্রোড।

ঘোষণার প্রায় এক দশক পরও ন্যানোতার নিয়ে এই ফলাফল গবেষণাগারে ধারণাটির কার্যকারিতা প্রমাণের পর্যায়েই রয়েছে। থাই পরে ডক্টরেট অর্জন করেন এবং বৈদ্যুতিক পরিবহনের ব্যাটারি নিয়ে গবেষণায় যুক্ত হন। তাঁর পরীক্ষা এখনও মনোযোগ আকর্ষণ করে, কারণ বারবার ব্যবহারের মধ্যেও ভঙ্গুর ব্যাটারি উপাদান অক্ষত রাখার একটি উপায়ের ইঙ্গিত এতে রয়েছে।

পাতলা জেলের স্তর যেভাবে পরীক্ষার ধরন বদলে দিল

ভিয়েতনামি-আমেরিকান গবেষক থাই ন্যানোতার নিয়ে কাজ করছিলেন। পরীক্ষামূলক কাঠামোটিতে পাতলা জেলের আবরণ যোগ করে তিনি দেখেন কী হয়। ১০ হাজার চক্র পেরোনোর পরও ইলেকট্রোড কাজ করতে থাকে, আর কয়েক দিন পর তা পৌঁছায় ৩০ হাজারে। শেষ পর্যন্ত পরীক্ষা ২ লাখ চক্রে গিয়ে পৌঁছায়।

গবেষণাটির জ্যেষ্ঠ লেখক এবং সে সময় ইউসিআইয়ের রসায়ন বিভাগের চেয়ার রেজিনাল্ড পেনার বিশ্ববিদ্যালয়ের ২০১৬ সালের এপ্রিলের ঘোষণায় অপ্রত্যাশিত আবিষ্কারটির কথা জানান।

মায়া এটা নিয়ে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করছিল, আর পুরো জিনিসটির ওপর খুব পাতলা জেলের একটি স্তর লাগিয়ে চক্রাকারে পরীক্ষা শুরু করল," বলেন পেনার। "সে আবিষ্কার করল, শুধু এই জেল ব্যবহার করেই কোনো ধারণক্ষমতা না হারিয়ে কয়েক লাখ বার চক্র চালানো যায়।

পেনার ফলাফলটিকে বিস্ময়কর বলেছিলেন, কারণ একই ধরনের কাঠামো সাধারণত ৫ হাজার থেকে ৭ হাজার চক্রের পর নষ্ট হয়ে যেত। সেই সীমার তুলনায় ইউসিআইয়ের ইলেকট্রোডের ২ লাখ চক্র প্রায় ২৯ থেকে ৪০ গুণ বেশি। এই তুলনাটি পেনারের আলোচিত কাঠামোগুলোর বিপরীতে উন্নতির মাত্রা বোঝায়।

জেল প্রয়োগের সাফল্যই ছিল ঘটনাটির আকস্মিক দিক। এর কার্যকারিতা নিশ্চিত করতে দীর্ঘমেয়াদি পরীক্ষা দরকার ছিল: ইলেকট্রোডের বৈদ্যুতিক কর্মক্ষমতা বা ভৌত কাঠামোর অবনতি হচ্ছে কি না, তা যাচাই করতে থাই কয়েক মাস ধরে চক্র চালিয়ে যান।

ন্যানোতারের সুরক্ষা কেন দরকার

ন্যানোতার মানুষের চুলের চেয়ে হাজার হাজার গুণ সরু। এগুলো ভালোভাবে বিদ্যুৎ পরিবহন করে এবং আকারের তুলনায় এদের পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল অনেক বেশি। এ কারণে ইলেকট্রোড তৈরির উপাদান হিসেবে এগুলো আকর্ষণীয়; ইলেকট্রোড হলো ব্যাটারির সেই অংশ, যেখানে তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে চার্জ সঞ্চিত হয় এবং ছাড়া হয়।

বারবার চার্জ ও ডিসচার্জ করলে এসব কাঠামোর ওপর চাপ পড়ে। ইউসিআই জানিয়েছে, প্রচলিত লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে ব্যবহারের সময় ন্যানোতার প্রসারিত হয়ে ভঙ্গুর হতে পারে। তখন ফাটল তৈরি হতে পারে, ফলে ইলেকট্রোড কার্যকর রাখতে যে উপাদানগুলো পরস্পর সংযুক্ত থাকা দরকার, সেগুলো ভেঙে যায়।

থাইয়ের পরীক্ষামূলক কাঠামোর প্রধান উপাদান ছিল তিনটি। কেন্দ্রে ছিল সোনার ন্যানোতার, তার চারপাশে ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইড এবং পুরো বিন্যাসটির ওপর ছিল জেল ইলেকট্রোলাইটের আবরণ। ইলেকট্রোলাইট হলো এমন একটি মাধ্যম, যার মধ্য দিয়ে আয়ন নামের চার্জযুক্ত কণা শক্তি সঞ্চয়কারী যন্ত্রে চলাচল করতে পারে।

গবেষকদের ধারণা, জেলটি ধাতব অক্সাইডকে প্লাস্টিকসদৃশ নমনীয়তা দিয়েছিল। সহজভাবে বললে, এতে আবরণটি আরও নমনীয় হয়ে থাকতে পারে, ফলে ফাটল ছাড়াই নড়াচড়া সহ্য করতে পেরেছে। কাঠামো অক্ষত থাকায় বারবার চক্রের মধ্যেও ইলেকট্রোডের কর্মক্ষমতা বজায় ছিল।

ইউসিআই জানায়, তিন মাসের পরীক্ষার পর ইলেকট্রোডে ধারণক্ষমতা বা শক্তির কোনো শনাক্তযোগ্য ঘাটতি দেখা যায়নি এবং ন্যানোতারেও ফাটল ছিল না। ধারণক্ষমতা বোঝায়, কোনো যন্ত্র কতটা বৈদ্যুতিক চার্জ সঞ্চয় করতে পারে; শক্তি বোঝায়, কত দ্রুত এটি শক্তি সরবরাহ করতে পারে। কার্যকর ব্যাটারির জন্য দুটিই গুরুত্বপূর্ণ।

কর্মক্ষমতার পরিসংখ্যানের অর্থ

পরীক্ষায় গড় কুলম্বীয় দক্ষতা ৯৪ থেকে ৯৬ শতাংশ অর্জনের কথাও বলা হয়েছিল। কুলম্বীয় দক্ষতা হলো ডিসচার্জের সময় ফিরে পাওয়া চার্জের সঙ্গে চার্জ করার সময় সরবরাহ করা চার্জের তুলনা। দক্ষতা ৯৪ শতাংশ হলে, সরবরাহ করা প্রতি ১০০ একক চার্জের বিপরীতে প্রায় ৯৪ একক ফেরত পাওয়া গেছে।

ধারণক্ষমতা ধরে রাখা এবং কুলম্বীয় দক্ষতা কর্মক্ষমতার ভিন্ন দুটি দিক বোঝায়। বারবার ব্যবহারে ইলেকট্রোডের সঞ্চয়ক্ষমতা কমছে কি না, তা ধারণক্ষমতা ধরে রাখার হিসাব থেকে বোঝা যায়। চক্র চালানোর সময় কত চার্জ যাচ্ছে এবং ফিরছে, তা দেখায় কুলম্বীয় দক্ষতা। কোনো ইলেকট্রোড তার সঞ্চয়ক্ষমতা ধরে রেখেও গ্রহণ করা চার্জের চেয়ে কম চার্জ ফেরত দিতে পারে।

স্ট্যানফোর্ডের ২০০৭ সালে তৈরি একটি ন্যানোব্যাটারি বিন্যাস এর আগে ৪০ হাজার চক্রে পৌঁছেছিল। ইউসিআইয়ের ২ লাখ চক্র সেই সংখ্যার পাঁচ গুণ, যদিও যন্ত্র দুটিতে ভিন্ন বিন্যাস ব্যবহার করা হয়েছিল। তাই ফলাফল তুলনা করতে তাদের নকশা ও পরীক্ষার শর্ত বিবেচনায় নেওয়া জরুরি।

ল্যাপটপের সঙ্গে তুলনাটিও চমকপ্রদ। সাধারণ ল্যাপটপ ব্যাটারির ক্ষেত্রে প্রায়ই উল্লেখ করা ৩০০ থেকে ৫০০ চক্রের তুলনায় ২ লাখ চক্র প্রায় ৪০০ থেকে ৬৬৭ গুণ। এই সংখ্যাগুলো পরীক্ষাটি ঘিরে তৈরি হওয়া উচ্ছ্বাসের কারণ বোঝায়। তবে বাণিজ্যিকভাবে উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত ধারণক্ষমতা, উপাদান, নিরাপত্তা ও উৎপাদন ব্যয়সহ একটি পূর্ণাঙ্গ ব্যাটারি দরকার।

৪০০ বছরের হিসাব যেভাবে এসেছে

এই হিসাব ধরে নেয়, একটি ল্যাপটপ প্রতি দুই বছরে ১ হাজার চার্জ চক্র সম্পন্ন করে, অর্থাৎ বছরে ৫০০ চক্র। ২ লাখকে ৫০০ দিয়ে ভাগ করলে ৪০০ বছর হয়। হিসাবের প্রতিটি ধাপ সরল, কিন্তু এই ক্যালেন্ডার-সময়কাল গবেষণাগারের ফলাফল থেকে করা একটি অনুমান।

তিন মাসের একটানা পরীক্ষায় থাইয়ের ইলেকট্রোডটি ওই চক্রসংখ্যায় পৌঁছেছিল। দৈনন্দিন ব্যবহারে একটি ব্যাটারি কিছু সময় আংশিক চার্জ অবস্থায় পড়ে থাকে, তাপমাত্রা বদলাতে থাকে এবং তাকে অন্যান্য যন্ত্রাংশের সঙ্গে কাজ করতে হয়। চূড়ান্ত পণ্যকে ব্যবহারকারীরা যেসব পরিস্থিতির মুখোমুখি হবেন, সেসব শর্তে পরীক্ষা করতে হবে।

ব্যবহারিক লক্ষ্য হলো ব্যাটারি বদলানোর মধ্যবর্তী সময় বাড়ানো। ল্যাপটপ ব্যবহারকারীর জন্য এর অর্থ হতে পারে, কম্পিউটারটির কার্যকর ব্যবহারের সময়ের আরও বেশি অংশজুড়ে একই ব্যাটারি ব্যবহার করা। গাড়ি নির্মাতার জন্য এর অর্থ হতে পারে, বদলানোর প্রয়োজন হওয়ার আগে আরও বেশি চার্জ ও চালনা সহ্য করতে পারে এমন শক্তি সঞ্চয় ব্যবস্থা।

গবেষকদের যেসব বিষয় এখনও বোঝার বাকি ছিল

ইউসিআইয়ের ২০১৬ সালের মে মাসের পরবর্তী প্রতিবেদনে ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইডের আবরণ বুঝতে আরও গবেষণার কথা বলা হয়। জেলটি উপাদানটিকে টুকরো হয়ে ভেঙে যাওয়া থেকে রক্ষা করছে, তা গবেষকেরা দেখতে পেয়েছিলেন; তবে উপাদানটি নিজে কীভাবে বদলেছে, তা তখনও অনুসন্ধান করছিলেন।

গবেষণার জ্যেষ্ঠ লেখক ও রসায়ন বিভাগের চেয়ার হিসেবে পেনার পরবর্তী বৈজ্ঞানিক কাজটির ব্যাখ্যা দেন।

"ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইড উপাদানটির মধ্যে কী ঘটছে, তা আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য মায়া এখন বেশ কিছু গবেষণা করছে। আমরা জানি জেলটি এটিকে টুকরো হয়ে ভেঙে যাওয়া থেকে রক্ষা করে, কিন্তু জেল ছাড়া যে উপাদান থাকত, অবশিষ্ট অংশটি তার থেকে আলাদা কি না, তা আমরা জানি না," বলেন পেনার।

এই প্রক্রিয়াটি বোঝা জরুরি, যাতে ফলাফলটি পুনরায় পাওয়া যায় এবং অন্য উপাদানেও প্রয়োগ করা যায়। জেল ও আবরণের কোন বৈশিষ্ট্য ইলেকট্রোডকে অক্ষত রাখে, তা গবেষকেরা শনাক্ত করতে পারলে বারবার চার্জ সহ্য করতে পারে এমন কাঠামো আরও পরিকল্পিতভাবে তৈরি করতে পারবেন।

গবেষণাটি মেরিল্যান্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের ন্যানোস্ট্রাকচারস ফর ইলেকট্রিক্যাল এনার্জি স্টোরেজ এনার্জি ফ্রন্টিয়ার রিসার্চ সেন্টারের সঙ্গে সমন্বয় করে পরিচালিত হয়েছিল। অর্থায়ন আসে যুক্তরাষ্ট্রের জ্বালানি দপ্তরের বেসিক এনার্জি সায়েন্সেস বিভাগ থেকে।

সোনার ন্যানোতার থেকে ব্যবহারিক ব্যাটারি

বড় পরিসরে উৎপাদনের ক্ষেত্রে সোনা ব্যয়ের সমস্যা তৈরি করে। আরও সাশ্রয়ী নকশার সম্ভাব্য পথ হিসেবে নিকেলসহ কম ব্যয়বহুল বিকল্প নিয়ে গবেষকেরা অনুসন্ধান করেছেন। তবে ধাতু বদলালেও নতুন ইলেকট্রোড মূল কাঠামোর স্থায়িত্ব ধরে রাখে কি না, তা যাচাই করা প্রয়োজন।

একটি পূর্ণাঙ্গ বাণিজ্যিক ব্যাটারিতে দীর্ঘ চক্রজীবনের পাশাপাশি পর্যাপ্ত শক্তি সঞ্চয়, কার্যকর শক্তি সরবরাহ, নির্ভরযোগ্য নিরাপত্তা এবং সাশ্রয়ী উৎপাদনপ্রক্রিয়া থাকতে হবে। ইউসিআইয়ের ফলাফল পরীক্ষামূলক ইলেকট্রোডের একটি নির্দিষ্ট দুর্বলতা—বারবার চক্র চালানোর সময় ভৌত ক্ষতি—মোকাবিলা করেছে। এই সাফল্যকে পণ্যে রূপ দিতে হলে অন্য শর্তগুলোও একসঙ্গে পূরণ করতে হবে।

সম্ভাব্য ব্যবহারের ক্ষেত্র হিসেবে ইউসিআই কম্পিউটার, স্মার্টফোন, গৃহস্থালি যন্ত্রপাতি, গাড়ি ও মহাকাশযানের কথা উল্লেখ করেছে। প্রতিটি ক্ষেত্রেই ব্যাটারির ওপর চাহিদা ভিন্ন। ফোনে দরকার কম জায়গা নেয় এমন শক্তির উৎস; গাড়িতে দরকার উল্লেখযোগ্য শক্তি সরবরাহে সক্ষম অনেক বড় ব্যবস্থা; আর মহাকাশযানে কঠিন পরিস্থিতিতে নির্ভরযোগ্যভাবে কাজ করতে হয়।

পরে থাই যুক্তরাষ্ট্রের ব্যাটারি প্রযুক্তি প্রতিষ্ঠান ইভনেটে প্রধান বিজ্ঞানী হন। সেখানে তিনি বৈদ্যুতিক পরিবহনের জন্য উন্নত ব্যাটারি নিয়ে কাজ করেন। কোষগুলোর মধ্যে তাপ ছড়িয়ে পড়া বিলম্বিত করার প্রযুক্তিসহ অন্যান্য উদ্ভাবনের জন্যও তিনি পেটেন্টের আবেদন করেছেন। কোনো ব্যর্থ কোষের তাপ আশপাশের কোষে ছড়িয়ে পড়াকে তাপীয় বিস্তার বলা হয়।

এই গবেষণার প্রতিবেদনগুলোতে সোনার ন্যানোতার প্রযুক্তি বাণিজ্যিকভাবে বাজারে আনার কোনো তারিখ ঘোষণা করা হয়নি। থাইয়ের পরবর্তী কর্মজীবন দেখায়, মূল পরীক্ষার বাইরেও স্থায়িত্ব ও নিরাপত্তাসহ ব্যাটারি উন্নয়নের নানা চ্যালেঞ্জ নিয়ে তিনি কাজ চালিয়ে গেছেন।

আবিষ্কারের মাইলফলকগুলো

এই কাহিনিতে রয়েছে আগের একটি ন্যানোব্যাটারি ফলাফল, কয়েক মাসের গবেষণাগার-পর্যায়ের চক্র পরীক্ষা এবং ২০১৬ সালে ইউসিআইয়ের দুটি ঘোষণা। মাইলফলকগুলো একসঙ্গে রাখলে আবিষ্কারটির বয়স ও পরিধি বোঝা সহজ হয়।

• ২০০৭: স্ট্যানফোর্ডের গবেষকদের তৈরি ভিন্ন একটি ন্যানোব্যাটারি বিন্যাসে ৪০ হাজার চক্রের কথা জানানো হয়।
• ইউসিআইয়ের পরীক্ষা চলাকালে: থাইয়ের জেল-আবৃত ইলেকট্রোড প্রথমে ১০ হাজার, পরে ৩০ হাজার চক্র পেরিয়ে তিন মাসে ২ লাখে পৌঁছায়।
• ২০ এপ্রিল, ২০১৬: ইউসিআই ফলাফলটি ঘোষণা করে এবং গবেষণার ফল ACS Energy Letters-এ প্রকাশিত হয়।
• ১৬ মে, ২০১৬: জেলটি ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইডকে কীভাবে প্রভাবিত করে, সে বিষয়ে চলমান গবেষণার বিবরণ দিয়ে ইউসিআই পরবর্তী প্রতিবেদন প্রকাশ করে।
• ডক্টরেটের পর: থাই শিল্পখাতে ব্যাটারি গবেষণায় যোগ দেন এবং ইভনেটে প্রধান বিজ্ঞানী হন।

ইলেকট্রোডের উন্নত ভৌত স্থিতিশীলতা এবং টেকসই ব্যাটারি তৈরির সম্ভাবনার দিক থেকে থাই ফলাফলটির তাৎপর্য ব্যাখ্যা করেন। গবেষণার নেতৃত্ব দেওয়া ডক্টরাল গবেষক হিসেবে তিনি বলেন:

আবরণ দেওয়া ইলেকট্রোডটির আকৃতি অনেক ভালোভাবে অক্ষুণ্ন থাকে, ফলে এটি আরও নির্ভরযোগ্য বিকল্প হয়ে ওঠে," বলেন থাই। "এই গবেষণা প্রমাণ করে, ন্যানোতারভিত্তিক ব্যাটারি ইলেকট্রোড দীর্ঘস্থায়ী হতে পারে এবং এ ধরনের ব্যাটারি বাস্তবে তৈরি করা সম্ভব।

মূল বিষয়গুলো

• মায়া লে থাইয়ের ইউসিআই ইলেকট্রোড তিন মাসে ২ লাখ চক্র সম্পন্ন করে; এতে ধারণক্ষমতা বা শক্তির কোনো শনাক্তযোগ্য ঘাটতি কিংবা ন্যানোতারে ফাটল দেখা যায়নি।
• নকশাটিতে ছিল সোনার ন্যানোতার, ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইড এবং একটি জেল ইলেকট্রোলাইট, যা ফাটল ঠেকাতে সহায়তা করেছে বলে গবেষকদের ধারণা।
• গবেষণার ফল ২০১৬ সালের ২০ এপ্রিল ACS Energy Letters-এ প্রকাশিত হয়।
• বছরে ৫০০ চক্র ধরে ৪০০ বছরের হিসাবটি করা হয়েছে; গবেষণাগারের পরীক্ষাটি চলেছিল তিন মাস।
• সোনার ব্যয় এবং একটি পূর্ণাঙ্গ ব্যাটারির প্রয়োজনীয়তাগুলো বাণিজ্যিক উন্নয়নের কেন্দ্রীয় বিষয়।
• পরে থাই ইভনেটে প্রধান বিজ্ঞানী হন এবং বৈদ্যুতিক পরিবহনের ব্যাটারি নিয়ে কাজ করেন।