धातु-वायु विद्युत रासायनिक सेल

मेटल-एयर विद्युत रासायनिक सेल  एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल है जो शुद्ध धातु से बने एनोड और परिवेशी वायु के बाहरी कैथोड का उपयोग करता है, आमतौर पर एक जलीय या  aprotic  इलेक्ट्रोलाइट के साथ। धातु-वायु इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के निर्वहन के दौरान, परिवेशी वायु कैथोड में एक कमी प्रतिक्रिया होती है, जबकि धातु एनोड ऑक्सीकरण होता है।

धातु-वायु इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं की विशिष्ट क्षमता और ऊर्जा घनत्व लिथियम आयन बैटरी की तुलना में अधिक है। लिथियम-आयन बैटरी, उन्हें विद्युतीय वाहन में उपयोग के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाती है। जबकि कुछ व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं, धातु एनोड्स, उत्प्रेरक और इलेक्ट्रोलाइट्स से जुड़ी जटिलताओं ने धातु-वायु बैटरी के विकास और कार्यान्वयन में बाधा उत्पन्न की है।

लिथियम
लिथियम की उल्लेखनीय उच्च ऊर्जा घनत्व (3458 Wh/kg तक) ने लिथियम-एयर बैटरी के डिजाइन को प्रेरित किया। लिथियम-एयर बैटरी में एक ठोस लिथियम इलेक्ट्रोड, इस इलेक्ट्रोड के चारों ओर एक इलेक्ट्रोलाइट और ऑक्सीजन युक्त एक परिवेश वायु इलेक्ट्रोड होता है। वर्तमान लिथियम-एयर बैटरियों को उपयोग किए गए इलेक्ट्रोलाइट और बाद के इलेक्ट्रोकेमिकल सेल आर्किटेक्चर के आधार पर चार उपश्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है। ये इलेक्ट्रोलाइट श्रेणियां aprotic, जलीय घोल, मिश्रित जलीय / aprotic और ठोस अवस्था हैं, जिनमें से सभी अपने अलग फायदे और नुकसान पेश करते हैं। बहरहाल, लिथियम-एयर बैटरी की दक्षता अभी भी कैथोड पर अधूरे डिस्चार्ज द्वारा सीमित है, overpotential  से अधिक डिस्चार्ज ओवरपोटेंशियल और कंपोनेंट स्टेबिलिटी से चार्ज होती है। लिथियम-एयर बैटरियों के डिस्चार्ज के दौरान, सुपरऑक्साइड (O$2$$−$) का गठन इलेक्ट्रोलाइट या अन्य सेल घटकों के साथ प्रतिक्रिया करेगा और बैटरी को रिचार्जेबल होने से रोकेगा।

सोडियम
लिथियम-एयर बैटरियों में सुपरऑक्साइड से जुड़ी बैटरी अस्थिरता पर काबू पाने की आशा के साथ सोडियम-एयर बैटरियों का प्रस्ताव किया गया था। सोडियम, 1605 Wh/kg के ऊर्जा घनत्व के साथ, लिथियम के रूप में उच्च ऊर्जा घनत्व का दावा नहीं करता है। हालांकि, यह एक स्थिर सुपरऑक्साइड (NaO$2$) हानिकारक द्वितीयक प्रतिक्रियाओं से गुजरने वाले सुपरऑक्साइड के विपरीत। चूंकि नाओ$2$ मूल घटकों में वापस एक हद तक उलटा विघटित हो जाएगा, इसका मतलब है कि सोडियम-एयर बैटरी में रिचार्जेबल होने की कुछ आंतरिक क्षमता होती है। सोडियम-एयर बैटरी केवल एप्रोटिक, निर्जल इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ काम कर सकती हैं। जब एक डीएमएसओ इलेक्ट्रोलाइट को सोडियम ट्राइफ्लोरोमेथेनेसल्फोनिमाइड के साथ स्थिर किया गया था, तो सोडियम-एयर बैटरी की उच्चतम साइकलिंग स्थिरता (150 चक्र) प्राप्त की गई थी।

पोटेशियम
लिथियम-एयर बैटरी में सुपरऑक्साइड से जुड़ी बैटरी की अस्थिरता पर काबू पाने की आशा के साथ पोटेशियम-एयर बैटरी भी प्रस्तावित की गई थी। जबकि पोटेशियम-एयर बैटरी के साथ केवल दो से तीन चार्ज-डिस्चार्ज चक्र प्राप्त किए गए हैं, वे केवल 50 mV के असाधारण कम अतिविभव अंतर की पेशकश करते हैं।

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

मैग्नीशियम
वर्तमान में विभिन्न प्रकार के धातु-वायु रसायन शास्त्रों का अध्ययन किया जा रहा है। Mg धातु की एकरूपता और विषमता का जमाव Mg-वायु प्रणालियों को दिलचस्प बनाता है।  हालांकि, जलीय एमजी-वायु बैटरी एमजी इलेक्ट्रोड | इलेक्ट्रोड के विघटन से गंभीर रूप से सीमित हैं। मैग्नीशियम-वायु ईंधन सेल|मैग्नीशियम-वायु उपकरणों में कई आयनिक जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स के उपयोग की सिफारिश की गई है। फिर भी, विद्युत रासायनिक नाजुकता उन सभी को प्रभावित करती है। हालांकि, प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया | सेल की प्रतिवर्तीता सीमित है, और विशेष रूप से रिचार्ज (बैटरी) के दौरान दिखाई देती है।

कैल्शियम
कैल्शियम-हवा (ओ2) बैटरियों की सूचना दी गई है।

एल्युमिनियम
एल्युमीनियम-एयर बैटरियों में किसी भी अन्य बैटरी की तुलना में उच्चतम ऊर्जा घनत्व होता है, सैद्धांतिक रूप से अधिकतम ऊर्जा घनत्व 6–8 KWh/Kg होता है, हालांकि,, अधिकतम केवल 1.3 KWh/किग्रा हासिल किया गया है। एल्यूमीनियम बैटरी सेल रिचार्जेबल नहीं हैं, इसलिए बैटरी से बिजली प्राप्त करना जारी रखने के लिए नए एल्यूमीनियम एनोड स्थापित किए जाने चाहिए, जिससे उनका उपयोग करना महंगा हो जाता है और ज्यादातर सैन्य अनुप्रयोगों तक सीमित हो जाता है। एल्युमिनियम-एयर बैटरी का उपयोग इलेक्ट्रिक कारों के प्रोटोटाइप के लिए किया गया है, जिसमें एक बार चार्ज करने पर 2000 किमी की रेंज का दावा किया गया है, हालांकि कोई भी जनता के लिए उपलब्ध नहीं है। हालांकि, एल्युमीनियम-एयर बैटरी बिजली खत्म होने तक एक स्थिर वोल्टेज और पावर आउटपुट बनाए रखती हैं, जो उन्हें इलेक्ट्रिक विमानों के लिए उपयोगी बना सकता है, जहां आपातकालीन लैंडिंग के मामले 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 बैटरी की उच्च ऊर्जा घनत्व, बैटरी बहुत हल्की होती है, जो विद्युत विमानन के लिए भी फायदेमंद होती है। हवाई अड्डों का पैमाना भी एनोड्स के ऑन-साइट रीसाइक्लिंग की अनुमति दे सकता है, जो उन कारों के लिए संभव नहीं होगा जहां कई छोटे स्टेशन आवश्यक हैं। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में एल्यूमीनियम-एयर बैटरी पर्यावरण के लिए बेहतर हैं। एल्यूमीनियम पृथ्वी की पपड़ी में सबसे प्रचुर मात्रा में धातु है, इसलिए लिथियम की तुलना में समान मात्रा में एल्यूमीनियम खोजने के लिए खानों को उतना आक्रामक नहीं होना पड़ेगा। एक अन्य कारक यह है कि एल्यूमीनियम रीसाइक्लिंग प्लांट पहले से मौजूद हैं, जबकि लिथियम रीसाइक्लिंग प्लांट अभी उभरना शुरू कर रहे हैं और लाभदायक बन रहे हैं। एल्युमिनियम वर्तमान तकनीक के साथ रीसायकल करने के लिए बहुत अधिक किफायती है।

लोहा
आयरन-एयर रिचार्जेबल बैटरी ग्रिड ऊर्जा भंडारण | ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण की क्षमता वाली एक आकर्षक तकनीक है। इस तकनीक का मुख्य कच्चा माल आयरन ऑक्साइड (जंग) है जो प्रचुर मात्रा में, गैर विषैले, सस्ती और पर्यावरण के अनुकूल है। वर्तमान में विकसित की जा रही अधिकांश बैटरियां Fe/FeO रिडक्शन/ऑक्सीडेशन (रेडॉक्स) प्रतिक्रिया (Fe + H) के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पन्न करने और स्टोर करने के लिए आयरन ऑक्साइड पाउडर का उपयोग करती हैं।2O फेहे + एच2). एक ईंधन सेल के संयोजन के साथ, यह सिस्टम को रिचार्जेबल बैटरी के रूप में व्यवहार करने में सक्षम बनाता है, एच बनाता है2ओह2 बिजली के उत्पादन और खपत के माध्यम से। इसके अलावा, इस तकनीक का न्यूनतम पर्यावरणीय प्रभाव है, क्योंकि इसका उपयोग आंतरायिक सौर और पवन ऊर्जा स्रोतों से ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है, जिससे कम कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन वाली ऊर्जा प्रणाली विकसित हो सकती है।

Fe/FeO रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उपयोग करके सिस्टम शुरू करने का एक तरीका है। लोहे के ऑक्सीकरण और हवा से ऑक्सीजन के दौरान बनाए गए हाइड्रोजन को बिजली बनाने के लिए ईंधन सेल द्वारा खपत किया जा सकता है। जब बिजली को संग्रहित किया जाना चाहिए, तो ईंधन सेल को रिवर्स में संचालित करके पानी से उत्पन्न हाइड्रोजन का लोहे के ऑक्साइड को धातु के लोहे में कमी के दौरान खपत किया जाता है। इन दोनों चक्रों का संयोजन वह है जो सिस्टम को आयरन-एयर रिचार्जेबल बैटरी के रूप में संचालित करता है।

इस तकनीक की सीमाएं प्रयुक्त सामग्री से आती हैं। आम तौर पर, आयरन ऑक्साइड पाउडर बेड का चयन किया जाता है; हालाँकि, पाउडर के तेजी से सिंटरिंग और चूर्णीकरण से उच्च संख्या में चक्र प्राप्त करने की क्षमता सीमित हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप क्षमता कम हो जाती है। वर्तमान में जांच के तहत अन्य तरीके, जैसे कि 3डी प्रिंटिंग और फ्रीज कास्टिंग,  रेडॉक्स प्रतिक्रिया के दौरान उच्च सतह क्षेत्र और आयतन परिवर्तन की अनुमति देने के लिए वास्तुकला सामग्री के निर्माण को सक्षम करना चाहते हैं।

यह भी देखें

 * लिथियम-सल्फर बैटरी
 * सिलिकॉन-एयर बैटरी

बाहरी संबंध

 * High-temperature metal–air battery