ব্যাটারি: ইতিহাস, গঠন, কাজের নীতি ও প্রকারভেদ

ব্যাটারি: আমাদের চারপাশের অদৃশ্য শক্তি

হাতের স্মার্টফোন থেকে শুরু করে ঘড়ি, টর্চলাইট, ল্যাপটপ, ট্যাব, আইপিএস—প্রায় সবকিছুই ব্যাটারির ওপর নির্ভরশীল। আধুনিক বিশ্বে ব্যাটারি ছাড়া জীবন কল্পনা করা কঠিন। ব্যাটারি না থাকলে বিদ্যুৎচালিত প্রতিটি জিনিসই সরাসরি প্লাগে লাগানো না থাকলে কাজ করত না। টর্চলাইট, হিয়ারিং এইড, মোবাইল ফোন—সবকিছুই তখন দেওয়ালের সকেটের সঙ্গে ঝুলে থাকত, যা ব্যবহারে ঝামেলা ও অস্বস্তি সৃষ্টি করত। গাড়ি চালু করতেও শুধু চাবি ঘোরানো যথেষ্ট হতো না, বরং হাতে ক্র্যাঙ্ক ঘুরিয়ে ইঞ্জিন চালু করতে হতো। চারদিকে তারের জট লেগে থাকত, যা বিপজ্জনক ও অগোছালো হতো।

ব্যাটারির কার্যপ্রণালী

ব্যাটারির ধরন নানা রকম হলেও এর কাজ করার মূল কৌশল এক। যখন কোনো যন্ত্র ব্যাটারির সঙ্গে সংযুক্ত হয়, তখন একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া শুরু হয়, যা থেকে বৈদ্যুতিক শক্তি উৎপন্ন হয়। এই প্রক্রিয়াকে বলা হয় ইলেকট্রোকেমিক্যাল বা তড়িৎ রাসায়নিক বিক্রিয়া।

ব্যাটারির ইতিহাস

১৭৯৯ সালে ইতালির পদার্থবিজ্ঞানী কাউন্ট আলেসান্দ্রো ভোল্টা প্রথম এই ধারণাটি আবিষ্কার করেন। তিনি ধাতব পাত এবং লবণ পানিতে ভেজানো কাগজ বা কার্ডবোর্ড দিয়ে একটি সহজ ব্যাটারি তৈরি করেছিলেন। এরপর থেকে বিজ্ঞানীরা ভোল্টার সেই প্রাথমিক নকশাকে আরও উন্নত করে নানা উপাদান দিয়ে বিভিন্ন আকার ও ধরনের ব্যাটারি তৈরি করেছেন।

—

ব্যাটারির ইতিহাস আরও পুরোনো। ১৯৩৮ সালে প্রত্নতত্ত্ববিদ উইলহেলম কনিগ বর্তমান বাগদাদ শহরের কাছে খুজুত রাবু এলাকায় খননকাজ করতে গিয়ে কিছু অদ্ভুত মাটির পাত্র খুঁজে পান। প্রায় ৫ ইঞ্চি লম্বা এই পাত্রগুলোর ভেতরে ছিল তামা দিয়ে মোড়ানো একটি লোহার দণ্ড। এগুলোর সময়কাল ধরা হয় খ্রিষ্টপূর্ব প্রায় ২০০ সালের দিকে। পরীক্ষায় দেখা যায়, এগুলোতে একসময় ভিনেগারের মতো কোনো অ্যাসিডিক তরল ভরা ছিল। পরে গবেষকেরা এই পাত্রগুলোর অনুকরণে প্রতিরূপ তৈরি করে দেখেছেন, এগুলো সত্যিই বিদ্যুৎ উৎপন্ন করতে পারে।

১৭৯৯ সালে আলেসান্দ্রো ভোল্টা প্রথম কার্যকর ব্যাটারি তৈরি করেন। তিনি জিংক, লবণ পানিতে ভেজানো কাগজ বা কাপড় এবং রুপার স্তর একটির ওপর আরেকটি সাজিয়ে একটি কাঠামো তৈরি করেন, যার নাম ভোল্টাইক পাইল। এটি ছিল সেই সময় আবিষ্কৃত প্রথম যন্ত্র, যা থেকে ধারাবাহিক ও স্থায়ী বিদ্যুৎপ্রবাহ পাওয়া যেত। তবে এর সীমাবদ্ধতাও ছিল—রুপার স্তরগুলো বেশি উঁচু করে সাজানো যেত না, কারণ ওজনের চাপে ভেজা কাগজ বা কাপড় থেকে লবণ পানি বের হয়ে যেত। এ ছাড়া ধাতব পাতগুলো দ্রুত ক্ষয় হয়ে যেত, ফলে ব্যাটারির স্থায়িত্ব কমে যেত। ভোল্টার এই অবদানের জন্য বৈদ্যুতিক বিভবের একককে ভোল্ট বলা হয়।

এরপর ব্যাটারি প্রযুক্তিতে বড় অগ্রগতি হয় ১৮৩৬ সালে। ইংরেজ রসায়নবিদ জন ফ্রেডরিক ড্যানিয়েল উদ্ভাবন করেন ড্যানিয়েল সেল। এই ব্যাটারিতে একটি কাচের জারের তলায় একটি তামার পাত রাখা হতো এবং তার ওপর অর্ধেক পর্যন্ত কপার সালফেট দ্রবণ ঢালা হতো। এরপর জারের ভেতরে একটি দস্তার পাত ঝুলিয়ে দেওয়া হতো এবং তার চারপাশে যোগ করা হতো জিংক সালফেট দ্রবণ। যেহেতু কপার সালফেট জিংক সালফেটের চেয়ে বেশি ঘন, তাই জিংকের দ্রবণটি ওপরে ভেসে থাকত এবং জিংকের পাতটিকে ঘিরে রাখত। এই ব্যবস্থায় জিংকের পাতের সঙ্গে যুক্ত তারটি ছিল নেগেটিভ টার্মিনাল, আর কপারের পাতের সঙ্গে যুক্ত তারটি ছিল পজিটিভ টার্মিনাল। যদিও তরল জিনিস টর্চলাইটের মতো বহনযোগ্য যন্ত্রে ব্যবহার করা সুবিধাজনক ছিল না, তবে স্থির অবস্থায় ব্যবহারের জন্য এটি কার্যকর ছিল। একসময় ডোরবেল এবং টেলিফোন চালাতে ড্যানিয়েল সেল জনপ্রিয় ছিল।

ব্যাটারির গঠন

যেকোনো ব্যাটারির দিকে তাকালেই প্রথমে চোখে পড়ে এর দুটি টার্মিনাল—একটি (+) চিহ্নিত, অন্যটি (-) চিহ্নিত। সাধারণ টর্চলাইটের ব্যাটারি, যেমন AA, C বা D সেলে এই টার্মিনাল দুটি ব্যাটারির দুই প্রান্তে থাকে। কিন্তু ৯-ভোল্ট বা গাড়ির ব্যাটারির ক্ষেত্রে টার্মিনালগুলো সাধারণত একসঙ্গে ওপরের দিকে বসানো থাকে।

AA, C এবং D সেল হলো ব্যাটারির বিভিন্ন স্ট্যান্ডার্ড আকার। এগুলো মূলত ব্যাটারির দৈর্ঘ্য, ব্যাস এবং শক্তি ধারণক্ষমতার পার্থক্য বোঝায়। সাধারণত সবগুলোই ১.৫ ভোল্টের হয়, কিন্তু আকার বড় হলে ব্যাটারির ক্ষমতা ও স্থায়িত্বও বেশি হয়। AA সেল সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত ব্যাটারি—রিমোট, দেওয়ালঘড়ি, খেলনা, ওয়্যারলেস মাউস ইত্যাদিতে ব্যবহৃত হয়। AAA সেল AA-এর চেয়ে চিকন ও ছোট; টিভির রিমোট, ছোট টর্চ, ট্রিমার ইত্যাদিতে ব্যবহৃত হয়। C সেল AA-এর চেয়ে বড় ও বেশি শক্তিশালী; বড় খেলনা, কিছু টর্চলাইট বা অডিও ডিভাইসে ব্যবহৃত হয়। D সেল সবচেয়ে বড় সাধারণ ড্রাই সেলগুলোর একটি; বড় টর্চলাইট, রেডিও বা বেশি শক্তির প্রয়োজন এমন যন্ত্রে ব্যবহৃত হয়।

ব্যাটারির ভেতরের অংশ সাধারণত ধাতু বা প্লাস্টিকের একটি আবরণের মধ্যে থাকে। এই আবরণের ভেতরে থাকে একটি ক্যাথোড, যা পজিটিভ টার্মিনালের সঙ্গে যুক্ত, এবং একটি অ্যানোড, যা নেগেটিভ টার্মিনালের সঙ্গে যুক্ত। এই দুই অংশকে একসঙ্গে বলা হয় ইলেকট্রোড বা তড়িৎদ্বার। ইলেকট্রোডেই ব্যাটারির মূল রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলো ঘটে। ক্যাথোড ও অ্যানোডের মাঝখানে থাকে একটি সেপারেটর, যা অ্যানোড ও ক্যাথোডকে পরস্পর সরাসরি স্পর্শ করা থেকে বিরত রাখে, কিন্তু বৈদ্যুতিক চার্জ চলাচল করতে দেয়। যে মাধ্যমে চার্জ এক ইলেকট্রোড থেকে অন্যটিতে যেতে পারে, তাকে বলা হয় ইলেকট্রোলাইট বা তড়িৎবিশ্লেষ্য। সব শেষে একটি কালেক্টর থাকে, যা চার্জকে ব্যাটারির বাইরে নিয়ে গিয়ে লোডের মাধ্যমে প্রবাহিত হতে সাহায্য করে।

ব্যাটারিতে সংঘটিত রাসায়নিক বিক্রিয়া

একটি ব্যাটারি যখন টর্চলাইট, রিমোট কন্ট্রোল বা অন্য কোনো তারবিহীন ডিভাইসে লাগানো হয়, তখন এর ভেতরে সূক্ষ্ম ও গুরুত্বপূর্ণ প্রক্রিয়া শুরু হয়। বিভিন্ন ধরনের ব্যাটারিতে প্রক্রিয়ার কিছুটা পার্থক্য থাকলেও মূল ধারণা প্রায় একই। যখন একটি লোড দুটি টার্মিনালের মধ্যে সার্কিট সম্পূর্ণ করে, তখন ব্যাটারির ভেতরে অ্যানোড, ক্যাথোড এবং ইলেকট্রোলাইটের মধ্যে একাধিক ইলেকট্রোকেমিক্যাল বিক্রিয়া শুরু হয়, যা বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে।

অ্যানোডের মধ্যে ঘটে একটি জারণ বিক্রিয়া, যার মাধ্যমে অ্যানোড ইলেকট্রন ত্যাগ করে এবং ইলেকট্রোলাইটের সঙ্গে বিক্রিয়া করে নতুন যৌগ তৈরি করে। অন্যদিকে ক্যাথোডে ঘটে একটি বিজারণ বিক্রিয়া, যেখানে ক্যাথোড অ্যানোড থেকে আসা মুক্ত ইলেকট্রন গ্রহণ করে এবং নতুন যৌগ তৈরি করে। সহজভাবে বললে, অ্যানোড ইলেকট্রন ছেড়ে দেয়, আর ক্যাথোড সেই ইলেকট্রন গ্রহণ করে। এই ইলেকট্রনের প্রবাহই বিদ্যুৎ। যতক্ষণ পর্যন্ত অ্যানোড বা ক্যাথোডে প্রয়োজনীয় উপাদান শেষ না হয়, ততক্ষণ ব্যাটারি বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে থাকে।

ব্যাটারিতে সংঘটিত রাসায়নিক বিক্রিয়াকে লেগো সেট দিয়ে ছোট একটি ঘর বানানোর সঙ্গে তুলনা করা যেতে পারে। যতক্ষণ লেগোর টুকরো আছে, ততক্ষণ ঘর বানানো যায়। সব টুকরো ব্যবহার হয়ে গেলে আর কিছু বানানো যাবে না। তখন দুটি পথ খোলা থাকে—পুরোনো ঘর ভেঙে আবার সেই লেগো দিয়ে নতুন কিছু বানানো, যা রিচার্জেবল ব্যাটারির মতো, অথবা নতুন লেগো কেনা, যা নতুন ব্যাটারি ব্যবহারের মতো।

জনপ্রিয় ব্যাটারির রাসায়নিক উপাদান

• জিংক-কার্বন ব্যাটারি: সাধারণত কম দামের AAA, AA, C এবং D সাইজের ড্রাই সেলে দেখা যায়। অ্যানোড হিসেবে জিংক, ক্যাথোড হিসেবে ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইড, ইলেকট্রোলাইট হিসেবে অ্যামোনিয়াম ক্লোরাইড বা জিংক ক্লোরাইড ব্যবহৃত হয়।
• অ্যালকালাইন ব্যাটারি: AA, C এবং D সাইজে খুব সাধারণ। ক্যাথোড ম্যাঙ্গানিজ ডাই-অক্সাইডের মিশ্রণ, অ্যানোডে জিংক পাউডার, ইলেকট্রোলাইট হিসেবে পটাশিয়াম হাইড্রোক্সাইডের ক্ষারীয় দ্রবণ ব্যবহার করা হয়।
• লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি: উচ্চ পারফরম্যান্স ডিভাইসে ব্যবহৃত হয়, যেমন মোবাইল ফোন, ডিজিটাল ক্যামেরা, বৈদ্যুতিক গাড়ি। ক্যাথোড হিসেবে লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড, অ্যানোড হিসেবে কার্বন ব্যবহৃত হয়।
• লেড-অ্যাসিড ব্যাটারি: সাধারণত গাড়ির ব্যাটারিতে ব্যবহৃত হয়। ক্যাথোড হিসেবে লেড ডাই-অক্সাইড, অ্যানোড হিসেবে ধাতব লেড, ইলেকট্রোলাইট হিসেবে সালফিউরিক অ্যাসিডের দ্রবণ।

রিচার্জেবল ব্যাটারি কীভাবে কাজ করে

ল্যাপটপ, মোবাইল ফোন, এমপিথ্রি প্লেয়ার এবং কর্ডলেস পাওয়ার টুলের মতো পোর্টেবল ডিভাইসের ব্যবহার বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে রিচার্জেবল ব্যাটারির প্রয়োজন অনেক বেড়ে গেছে। ১৮৫৯ সালে ফরাসি পদার্থবিজ্ঞানী গাসতোন প্লান্টে প্রথম লেড-অ্যাসিড সেল আবিষ্কার করেন, যাতে লেড অ্যানোড, লেড ডাই-অক্সাইড ক্যাথোড এবং সালফিউরিক অ্যাসিড ইলেকট্রোলাইট ব্যবহৃত হতো। এই ব্যাটারিই পরবর্তীকালে আধুনিক গাড়ির ব্যাটারির ভিত্তি তৈরি করে।

নন-রিচার্জেবল এবং রিচার্জেবল ব্যাটারি দুটিই একইভাবে বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে—অ্যানোড, ক্যাথোড এবং ইলেকট্রোলাইটের মধ্যে ইলেকট্রোকেমিক্যাল বিক্রিয়ার মাধ্যমে। কিন্তু পার্থক্য হলো, রিচার্জেবল ব্যাটারিতে এই বিক্রিয়াটি উল্টো দিকে চালানো সম্ভব। যখন বাইরের কোনো উৎস থেকে বৈদ্যুতিক শক্তি সরবরাহ করা হয়, তখন ডিসচার্জ অবস্থায় যে ইলেকট্রনপ্রবাহ নেগেটিভ থেকে পজিটিভ দিকে যায়, সেটি উল্টো হয়ে যায়। ফলে ব্যাটারির ভেতরের রাসায়নিক অবস্থা আবার আগের মতো হয় এবং ব্যাটারি পুনরায় চার্জ ধরে রাখতে সক্ষম হয়।

বর্তমানে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত রিচার্জেবল ব্যাটারি হলো লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি। এ ছাড়া আগে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হতো নিকেল-মেটাল হাইড্রাইড এবং নিকেল-ক্যাডমিয়াম ব্যাটারি। নিকেল-ক্যাডমিয়াম ব্যাটারিতে মেমোরি ইফেক্টের সমস্যা ছিল, যার কারণে ধারণক্ষমতা কমে যেত। নিকেল-মেটাল হাইড্রাইড ব্যাটারি তুলনামূলকভাবে বেশি চার্জ ধরে রাখতে পারে এবং মেমোরি ইফেক্টের প্রভাব কম, তবে দীর্ঘ সময় রেখে দিলে চার্জ ধরে রাখার ক্ষমতা কমে যায়। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি আরও দীর্ঘস্থায়ী, উচ্চ ভোল্টেজে কাজ করতে পারে এবং আকারে ছোট ও হালকা হয়। এগুলো সাধারণত AA, AAA, C বা D সাইজে পাওয়া যায় না এবং দাম তুলনামূলকভাবে বেশি।

চার্জিংয়ের ক্ষেত্রেও পার্থক্য আছে। নিকেল-ক্যাডমিয়াম এবং নিকেল মেটাল-হাইড্রাইড ব্যাটারি চার্জ করার সময় সতর্ক থাকতে হয়, কারণ অতিরিক্ত চার্জ দিলে ক্ষমতা কমে যেতে পারে। অনেক চার্জার চার্জ শেষ হলে স্বয়ংক্রিয়ভাবে বন্ধ হয়ে যায়। এসব ব্যাটারিকে মাঝেমধ্যে সম্পূর্ণ ডিসচার্জ করে আবার চার্জ দিতে হয়। অন্যদিকে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিতে উন্নত চার্জিং সিস্টেম থাকে, যা ওভারচার্জিং থেকে নিজেই সুরক্ষা দেয়। তবে সব ব্যাটারিই একসময় শেষ হয়ে যায়; শত শত চার্জ সাইকেল পার করার পর এগুলো আর কার্যকর থাকে না। তখন এগুলোকে পুনর্ব্যবহারযোগ্য কেন্দ্রে ফেলে দেওয়া উচিত।

লেখক: শিক্ষার্থী, কৃষিবিজ্ঞান বিভাগ, এগ্রিকালচারাল সায়েন্স অনুষদ, ড্যাফোডিল ইন্টারন্যাশনাল ইউনিভার্সিটি। সূত্র: হাউ স্টাফ ওয়ার্কস এবং আমেরিকান কেমিক্যাল সোসাইটি।