धातु-वायु विद्युत रासायनिक सेल: Difference between revisions

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धातु-वायु विद्युत रासायनिक सेल एक वैद्युतरासायनिक सेल है जो शुद्ध धातु से बने एनोड और परिवेशी वायु के बाहरी कैथोड का उपयोग करते है, विशिष्ट रूप से जलीय या एप्रोटिक विद्युत्अपघट्य के साथ उपयोग करते है।[1][2]

धातु-वायु वैद्युतरासायनिक सेल के निर्वहन के समय, परिवेशी वायु कैथोड में एक अपचयन प्रतिक्रिया होती है, जबकि धातु एनोड ऑक्सीकृत होती है।

धातु-वायु वैद्युतरासायनिक कोशिकाओं की विशिष्ट क्षमता और ऊर्जा घनत्व लिथियम आयन बैटरी की तुलना में अधिक है, जो उन्हें विद्युतीय वाहन में उपयोग के लिए एक प्रमुख अभ्यर्थी बनाती है। हालांकि कुछ व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं, धातु एनोड, उत्प्रेरक और विद्युत्अपघट्य से जुड़ी जटिलताओं ने धातु-वायु बैटरी के विकास और कार्यान्वयन में बाधा उत्पन्न की है।[3][4]

एनोड तत्व द्वारा प्रकार

लिथियम

Main article: लिथियम-वायु बैटरी

लिथियम धातु की उल्लेखनीय उच्च ऊर्जा घनत्व (3458 Wh/kg तक) ने लिथियम-वायु बैटरी के प्रारुप को प्रेरित किया है। लिथियम-वायु बैटरी में एक ठोस लिथियम विद्युतद्वार, इस विद्युतद्वार के चारों ओर एक विद्युत्अपघट्य और ऑक्सीजन युक्त एक परिवेशी वायु विद्युतद्वार होता है। विद्युत प्रवाह लिथियम-वायु बैटरियों को उपयोग किए गए विद्युत्अपघट्य और उसके बाद के वैद्युतरासायनिक सेल वास्तुकला के आधार पर चार उपश्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है। विद्युत्अपघट्य श्रेणियां ऐप्रोटिक, जलीय, मिश्रित जलीय / ऐप्रोटिक और ठोस अवस्था हैं, जिनमें से सभी अपने अलग लाभ और हानि प्रस्तुत करते हैं।[5] फिर भी, लिथियम-वायु बैटरी की दक्षता अभी भी कैथोड पर अपूर्ण डिस्चार्ज, अधिविभव से अधिक डिस्चार्ज को चार्ज करने और घटक स्थिरता द्वारा सीमित है।[6] लिथियम-वायु बैटरियों के डिस्चार्ज के समय, सुपरऑक्साइड आयन (O2−) विद्युत्अपघट्य या अन्य सेल घटकों के साथ प्रतिक्रिया करेगी और बैटरी को पुनर्भरण होने से रोक सकती है।[7]

सोडियम

लिथियम-वायु बैटरियों में सुपरऑक्साइड से जुड़ी बैटरी अस्थिरता पर काबू पाने की आशा के साथ सोडियम-वायु बैटरियों का प्रस्ताव करती है। 1605 Wh/kg के ऊर्जा घनत्व वाले सोडियम, लिथियम के रूप में उच्च ऊर्जा घनत्व नहीं रखते है। हालांकि, यह हानिकारक माध्यमिक प्रतिक्रियाओं से पारित होने वाले सुपरऑक्साइड के विपरीत एक स्थिर सुपरऑक्साइड (NaO2) बना सकते है। NaO2 मौलिक घटकों में वापस एक सीमा तक विपरीत रूप से विघटित हो जाएगा, इसका अर्थ है कि सोडियम-वायु बैटरी में पुनर्भरण होने की कुछ आंतरिक क्षमता होती है।[8] सोडियम-वायु बैटरी केवल एप्रोटिक, निर्जल विद्युत्अपघट्य्स के साथ काम कर सकती हैं। जब डीएमएसओ विद्युत्अपघट्य को सोडियम ट्राइफ्लोरोमेथेनेसल्फोनिमाइड के साथ स्थिर किया गया था, तो सोडियम-वायु बैटरी की उच्चतम चक्रण स्थिरता (150 चक्र) प्राप्त की गई थी।[9]

पोटेशियम

पोटेशियम-वायु बैटरियों को भी लिथियम-वायु बैटरियों में सुपरऑक्साइड से जुड़ी बैटरी की अस्थिरता पर काबू पाने की आशा के साथ प्रस्तावित किया गया था। जबकि पोटेशियम-वायु बैटरी के साथ केवल दो से तीन चार्ज-डिस्चार्ज चक्र ही प्राप्त किए गए हैं, वे केवल 50 mV के असाधारण रूप से कम अतिसंभावित अंतर प्रदान करते हैं।[10]

जिंक

Main article: जिंक-एयर बैटरी

जिंक-वायु बैटरी का उपयोग श्रवण यंत्रों और फिल्म कैमरों के लिए किया जाता है।

मैग्नीशियम

वर्तमान में विभिन्न प्रकार के धातु-वायु रसायन विज्ञान का अध्ययन किया जा रहा है। Mg धातु का सजातीय निक्षेपण Mg-वायु प्रणालियों को रोचन बनाता है।[11][12][13] हालांकि, जलीय Mg-वायु बैटरियाँ Mg विद्युतद्वार के विघटन द्वारा गंभीर रूप से सीमित हैं। मैग्नीशियम-वायु उपकरणों में कई आयनिक जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स के उपयोग की संस्तुति की गई है। फिर भी, विद्युत रासायनिक भंगुरता उन सभी को प्रभावित करती है।[14] हालांकि, सेल की प्रतिवर्तीता सीमित है, और विशेष रूप से पुनः आवनेशन के समय दिखाई देती है।[14]

Main article: मैग्नीशियम-वायु ईंधन सेल

कैल्शियम

कैल्शियम-वायु (O2) बैटरियों की सूचना दी गई है।[15][16]

एल्युमिनियम

Main article: एल्यूमीनियम-वायु बैटरी

एल्युमीनियम-वायु बैटरियों में किसी भी अन्य बैटरी की तुलना में उच्चतम ऊर्जा घनत्व होती है, सैद्धांतिक अधिकतम ऊर्जा घनत्व 6–8 KWh/Kg होती है, हालांकि 2023 तक, अधिकतम केवल 1.3 KWh/kg प्राप्त किया गया है। एल्यूमीनियम बैटरी सेल पुनर्भरण नहीं होती हैं, इसलिए बैटरी से बिजली प्राप्त करना जारी रखने के लिए नए एल्यूमीनियम एनोड स्थापित किए जाने चाहिए, जिससे उनका उपयोग करना मूल्यवान हो जाता है और ज्यादातर सैन्य अनुप्रयोगों तक ही सीमित होता है।[17]

इलेक्ट्रिक कारों के प्रतिमान के लिए एल्युमिनियम-वायु बैटरियों का उपयोग किया गया है, जिसमें एक बार चार्ज करने पर 2000 km की सीमा का दावा किया गया है, हालांकि कोई भी जनता के लिए उपलब्ध नहीं है। हालांकि, एल्युमीनियम-वायु बैटरियाँ तब तक स्थिर वोल्टेज और बिजली उत्पादन बनाए रखती हैं जब तक कि उनकी बिजली खत्म न हो जाए, जो उन्हें इलेक्ट्रिक विमानों के लिए उपयोगी बना सकती है, जहां आपातकालीन अवतरण की स्थिति में हमेशा पूरी शक्ति की आवश्यकता होती है। एक अलग धातु एनोड नहीं ले जाने के कारण, एल्यूमीनियम की प्राकृतिक कम घनत्व और एल्यूमीनियम-वायु बैटरियों के उच्च ऊर्जा घनत्व, बैटरियां बहुत अल्पभार होती है, जो विद्युत विमानन के लिए भी लाभदायक होती है। हवाई अड्डों का पैमाना एनोड के ऑन-साइट (यथा स्थान) पुनश्चक्रण की अनुमति दे सकता है, जो उन कारों के लिए संभव नहीं होगा जहां कई छोटे स्टेशन आवश्यक हैं।[18]

पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में एल्यूमीनियम-वायु बैटरियां पर्यावरण के लिए श्रेष्ठतर हैं। एल्यूमीनियम पृथ्वी की पर्पटी में सबसे प्रचुर मात्रा में पाई जाने वाली धातु है, इसलिए लिथियम की तुलना में एल्यूमीनियम की समान मात्रा खोजने के लिए खदानों को उतना आक्रामक नहीं होना पड़ता है। एक अन्य कारक यह है कि एल्यूमीनियम पुनश्चक्रण संयंत्र पहले से उपस्तिथ हैं, जबकि लिथियम पुनश्चक्रण संयंत्र अभी उभरने और लाभदायक होने लगा हैं। वर्तमान प्रौद्योगिकी के साथ एल्युमिनियम का पुनश्चक्रण बहुत अधिक मितव्ययी है।[18]

आयरन

आयरन-वायु पुनर्भरण बैटरी ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण की क्षमता वाली एक आकर्षक तकनीक है। इस तकनीक का मुख्य उपादान आयरन ऑक्साइड (जंग) है जो प्रचुर मात्रा में, निराविषी, मितव्ययी और पर्यावरण के अनुकूल है।[19] वर्तमान में विकसित की जा रही अधिकांश बैटरियां Fe/FeO न्यूनीकरण/ऑक्सीडेशन (रेडॉक्स) प्रतिक्रिया (Fe + H2O ⇌ FeO + H2) के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पन्न करने और संग्रहीत करने के लिए आयरन ऑक्साइड पाउडर का उपयोग करती हैं।[20] एक ईंधन सेल के साथ संयोजन में, यह व्यवस्था को पुनर्भरण बैटरी के रूप में व्यवहार करने में सक्षम बनाता है, जो बिजली के उत्पादन और खपत के माध्यम से H2O/H2 बनाता है।[21] इसके अलावा, इस तकनीक का पर्यावरणीय प्रभाव न्यूनतम है, क्योंकि इसका उपयोग आंतरायिक सौर और पवन ऊर्जा स्रोतों से ऊर्जा को संग्रहीत करने, कम कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन वाली ऊर्जा प्रणाली विकसित करने के लिए किया जा सकता है।

Fe/FeO रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उपयोग करके व्यवस्था आरंभ करने का एक प्रकार है। लोहे के ऑक्सीकरण और वायु से ऑक्सीजन के समय निर्मित हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन सेल द्वारा बिजली बनाने के लिए किया जा सकता है। जब बिजली का भंडारण करना होता है, तो ईंधन सेल को विपरीत संचालित करके पानी से उत्पन्न हाइड्रोजन का उपयोग आयरन ऑक्साइड के धात्विक आयरन में अपचयन के समय किया जाता है।[20][21] इन दोनों चक्रों का संयोजन ही व्यवस्था को आयरन-वायु पुनर्भरण बैटरी के रूप में संचालित किया जाता है।

इस तकनीक की सीमाएं प्रयुक्त पदार्थ से आती हैं। सामान्यतः, आयरन ऑक्साइड पाउडर बेड का चयन किया जाता है; हालाँकि, पाउडर के तेजी से सिन्टरण और चूर्णीकरण से अधिक संख्या में चक्र प्राप्त करने की क्षमता सीमित होती है, जिसके परिणामस्वरूप क्षमता कम हो जाती है। वर्तमान में जांच के अधीन अन्य प्रकार, जैसे कि 3D प्रिंटिंग[22] और फ्रीज कास्टिंग,[23][24] रेडॉक्स प्रतिक्रिया के समय उच्च सतह क्षेत्र और आयतन परिवर्तन की अनुमति देने के लिए वास्तुकला पदार्थ के निर्माण को सक्षम बनाते हैं।

तुलना

एनोड तत्व सैद्धांतिक विशिष्ट ऊर्जा, Wh/kg

(ऑक्सीजन सहित)

सैद्धांतिक विशिष्ट ऊर्जा, Wh/kg

(ऑक्सीजन को छोड़कर)

परिकलित विवृत-परिपथ वोल्टेज, V
एल्यूमिनियम 4300[25] 8140[26] 1.2
जर्मेनियम 1480 7850 1
कैल्शियम 2990 4180 3.12
आयरन 1431 2044 1.3
लिथियम 5210 11140 2.91
मैगनीशियम 2789 6462 2.93
पोटैशियम 935[27][28] 1700[Note 1] 2.48[27][28]
सोडियम 1677 2260 2.3[29][30]
टिन 860 6250 0.95
जिंक 1090 1350 1.65

यह भी देखें

  • लिथियम-सल्फर बैटरी
  • सिलिकॉन-वायु बैटरी

टिप्पणियाँ

  1. ↑ Calculated from the specific energy density (including oxygen) value and 39.1 and 16 atomic weight data for K and O respectively for KO2

संदर्भ

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  2. ↑ "Metal–Air Batteries Lithium, Aluminum, Zinc, and Carbon" (PDF). Retrieved 2013-04-04.
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  4. ↑ Zhang, X.; Wang, X.; Xie, Z.; Zhou, Z. (2016). "Recent progress in rechargeable alkali metal–air batteries". Green Energy & Environment. 1 (1): 4–17. doi:10.1016/j.gee.2016.04.004.
  5. ↑ Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010). "Lithium–Air Battery: Promise and Challenges". The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (14): 2193–2203. doi:10.1021/jz1005384.
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बाहरी संबंध

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