जिंक-एयर बैटरी

जिंक-एयर बैटरी

Specific energy	470 (practical),1370 (theoretical) Wh/kg (1.692, 4.932 MJ/kg)
Energy density	1480-9780 Wh/L (5.328–35.21 MJ/L)
Specific power	100 W/kg
Nominal cell voltage	1.45 V

File:Zinc-air-battery-types.gif

जिंक-एयर हियरिंग एड बैटरी

File:Zink-Luft-Batterie PR70 - Powerone p10.png

दोनों ओर से PR70
बाईं ओर: एनोड और गैसकेट
दाईं ओर: वायुमंडलीय ऑक्सीजन के लिए कैथोड और इनलेट ओपनिंग।

जिंक-एयर बैटरी (गैर-रिचार्जेबल), और जिंक-एयर ईंधन सेल (यांत्रिक रूप से रिचार्जेबल) मेटल-एयर इलेक्ट्रोकेमिकल सेल | मेटल-एयर बैटरी (बिजली) हवा से ऑक्सीजन के साथ जिंक के ऑक्सीकरण द्वारा संचालित होती हैं। इन बैटरियों में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है और उत्पादन के लिए अपेक्षाकृत सस्ती होती हैं। श्रवण यंत्रों के लिए बहुत छोटे बटन सेल से लेकर, फिल्म कैमरों में उपयोग की जाने वाली बड़ी बैटरी, जो पहले पारा बैटरी का उपयोग करती थी, से लेकर विद्युतीय वाहन प्रणोदन और ग्रिड ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोग की जाने वाली बहुत बड़ी बैटरी से लेकर ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण तक का है।

निर्वहन के दौरान, जस्ता कणों का एक द्रव्यमान झरझरा एनोड बनाता है, जो एक इलेक्ट्रोलाइट से संतृप्त होता है। हवा से ऑक्सीजन कैथोड पर प्रतिक्रिया करता है और हाइड्रॉकसिल आयन बनाता है जो जिंक पेस्ट में चला जाता है और जस्ती बनाता है (Zn(OH)²⁻
₄), कैथोड की यात्रा के लिए इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करना। जिंकेट ज़िंक ऑक्साइड में विघटित हो जाता है और पानी इलेक्ट्रोलाइट में वापस आ जाता है। एनोड से पानी और हाइड्रॉक्सिल को कैथोड पर रिसाइकिल किया जाता है, इसलिए पानी का सेवन नहीं किया जाता है। प्रतिक्रियाएं 1.65 वोल्ट के सैद्धांतिक वोल्टेज का उत्पादन करती हैं, लेकिन उपलब्ध कोशिकाओं में 1.35-1.4 वी तक कम हो जाती हैं।

ज़िंक-एयर बैटरियों में फ़्यूल सेल्स के साथ-साथ बैटरियों के कुछ गुण होते हैं: ज़िंक ईंधन है, प्रतिक्रिया की दर को हवा के प्रवाह को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है, और ऑक्सीकृत ज़िंक/इलेक्ट्रोलाइट पेस्ट को ताज़े पेस्ट से बदला जा सकता है।

जिंक-एयर बैटरियों का उपयोग अब बंद हो चुकी 1.35 V पारा बैटरी (हालांकि काफी कम ऑपरेटिंग जीवन के साथ) को बदलने के लिए किया जा सकता है, जो 1970 से 1980 के दशक में आमतौर पर फोटो कैमरों और श्रवण यंत्रों में उपयोग की जाती थी।

इस बैटरी के संभावित भविष्य के अनुप्रयोगों में एक इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी के रूप में और यूटिलिटी-स्केल ऊर्जा भंडारण प्रणाली के रूप में इसकी तैनाती शामिल है।

इतिहास

ऑक्सीजन के प्रभाव को 19वीं शताब्दी की शुरुआत में जाना गया था जब वेट-सेल लेक्लांच बैटरी ने वायुमंडलीय ऑक्सीजन को कार्बन कैथोड करंट कलेक्टर में अवशोषित कर लिया था। 1878 में, एक झरझरा प्लैटिनम कार्बन एयर इलेक्ट्रोड को मैंगनीज डाइऑक्साइड के साथ-साथ काम करने के लिए पाया गया था (MnO
₂) लेक्लेंश सेल का। 1932 में इस सिद्धांत पर वाणिज्यिक उत्पादों का निर्माण शुरू हुआ, जब राष्ट्रीय कार्बन कंपनी के जॉर्ज डब्ल्यू. हाइज और इरविन ए. शूमाकर ने कोशिकाओं का निर्माण किया, बाढ़ को रोकने के लिए कार्बन इलेक्ट्रोड को मोम से उपचारित करना। नेविगेशन एड्स और रेल परिवहन के लिए बड़े जस्ता-वायु कोशिकाओं के लिए इस प्रकार का अभी भी उपयोग किया जाता है। हालाँकि, वर्तमान क्षमता कम है और कोशिकाएँ भारी हैं।

थॉमस ए एडिसन इंडस्ट्रीज कार्बोनायर प्रकार जैसे बड़े प्राथमिक जस्ता-वायु कोशिकाओं का उपयोग रेलवे सिग्नलिंग, दूरस्थ संचार साइटों और नेविगेशन बॉय के लिए किया गया था। ये लंबी अवधि के, कम दर वाले अनुप्रयोग थे। 1970 के दशक में ईंधन-सेल अनुसंधान पर आधारित पतले इलेक्ट्रोड के विकास ने श्रवण यंत्र, पेजर और चिकित्सा उपकरणों, विशेष रूप से कार्डियक टेलीमेटरी के लिए छोटे बटन और प्रिज्मीय प्राथमिक कोशिकाओं के लिए आवेदन की अनुमति दी।

प्रतिक्रिया सूत्र

File:Animation of zinc air cell 1100.gif

जिंक-एयर सेल के संचालन का एनिमेशन

जिंक-एयर सेल के लिए रासायनिक समीकरण हैं::एनोड:

${\ce {Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 2e-}}$ (और₀ = -1.25 वी)

तरल:

${\ce {Zn(OH)4^2- -> ZnO + H2O + 2OH-}}$

कैथोड:

${\ce {1/2 O2 + H2O + 2e- -> 2OH-}}$ (और₀ = 0.34 वी पीएच = 11)

कुल मिलाकर

${\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}$ (और₀ = 1.59 वी)

सीलबंद बैटरी रखने वाला में ज़िंक-एयर बैटरियों का उपयोग नहीं किया जा सकता क्योंकि कुछ हवा अंदर आनी चाहिए; उपयोग की गई क्षमता के प्रत्येक एम्पीयर-घंटे के लिए 1 लीटर हवा में ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है।

भंडारण घनत्व

जिंक-एयर बैटरी में कई अन्य प्रकार की बैटरी की तुलना में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है क्योंकि वायुमंडलीय हवा बैटरी रिएक्टेंट में से एक है, बैटरी प्रकारों के विपरीत जिसमें जिंक के साथ संयोजन में मैंगनीज डाइऑक्साइड जैसी सामग्री की आवश्यकता होती है। ऊर्जा घनत्व, जब वजन (द्रव्यमान) द्वारा मापा जाता है, विशिष्ट ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। निम्न तालिका एक विशिष्ट जस्ता-वायु बैटरी और विभिन्न रसायन विज्ञान की कई अन्य सामान्य रूप से उपलब्ध बैटरी के लिए विशिष्ट ऊर्जा की गणना दर्शाती है।

Battery Chemistry	Description	Capacity (Milliamp-hours)	Voltage	Weight (grams)	Specific Energy (Milliwatt-hours per gram)
Zinc Air	Prismatic shape, similar in volume to a AAA battery	3600	1.3	11.7	400
Zinc Manganese Dioxide "Alkaline"	Typical AA Cell	3000	1.5	23	195.7
Silver Oxide	Button Cell 357/303	150	1.55	2.3	101
Lithium Ion	Lithium Nickel Cobalt 18650.	3200	3.6	38.5	243

भंडारण और परिचालन जीवन

यदि हवा को बाहर रखने के लिए सीलबंद किया जाए तो जिंक-वायु कोशिकाओं की शेल्फ लाइफ लंबी होती है; यहां तक ​​​​कि लघु बटन कोशिकाओं को कमरे के तापमान पर 3 साल तक संग्रहीत किया जा सकता है, अगर उनकी सील नहीं हटाई जाती है। शुष्क अवस्था में संग्रहीत औद्योगिक कोशिकाओं का अनिश्चितकालीन भंडारण जीवन होता है।

जिंक-एयर सेल का परिचालन जीवन इसके पर्यावरण के साथ बातचीत का एक महत्वपूर्ण कार्य है। उच्च तापमान और कम आर्द्रता की स्थिति में इलेक्ट्रोलाइट अधिक तेजी से पानी खो देता है। चूँकि पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड इलेक्ट्रोलाइट द्रवीभूत होता है, बहुत नम स्थितियों में कोशिका में अतिरिक्त पानी जमा हो जाता है, कैथोड भर जाता है और इसके सक्रिय गुण नष्ट हो जाते हैं। पोटेशियम हाइड्रोक्साइड भी वायुमंडलीय कार्बन डाईऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करता है; कार्बोनेट गठन अंततः इलेक्ट्रोलाइट चालकता को कम करता है। एक बार हवा में खुलने पर लघु कोशिकाओं में उच्च स्व-निर्वहन होता है; सेल की क्षमता का कुछ हफ्तों के भीतर उपयोग करने का इरादा है।

निर्वहन गुण

चूंकि निर्वहन के दौरान कैथोड गुण नहीं बदलता है, टर्मिनल वोल्टेज तब तक काफी स्थिर होता है जब तक कि सेल समाप्त न हो जाए।

बिजली क्षमता कई चर का एक कार्य है: कैथोड क्षेत्र, वायु उपलब्धता, सरंध्रता और कैथोड सतह का उत्प्रेरक मूल्य। सेल में ऑक्सीजन का प्रवेश इलेक्ट्रोलाइट पानी के नुकसान के खिलाफ संतुलित होना चाहिए; पानी के नुकसान को सीमित करने के लिए कैथोड झिल्ली (जल विरोधी ) टेफ्लान सामग्री के साथ लेपित होते हैं। कम आर्द्रता से पानी की कमी बढ़ जाती है; यदि पर्याप्त पानी खो जाता है, तो कोशिका विफल हो जाती है। बटन सेल में एक सीमित करंट ड्रेन होता है; उदाहरण के लिए एक IEC PR44 सेल की क्षमता 600 मिलीमीटर-घंटे (mAh) है लेकिन अधिकतम करंट केवल 22 मिलीमीटर (mA) है। पल्स लोड धाराएं बहुत अधिक हो सकती हैं क्योंकि दालों के बीच सेल में कुछ ऑक्सीजन रहती है।

कम तापमान प्राथमिक सेल क्षमता को कम करता है लेकिन कम नालियों के लिए प्रभाव छोटा होता है। एक सेल अपनी क्षमता का 80% प्रदान कर सकता है अगर 300 घंटे से अधिक समय तक छुट्टी दे दी जाए 0 °C (32 °F), लेकिन क्षमता का केवल 20% यदि उस तापमान पर 50 घंटे की दर से डिस्चार्ज किया जाता है। कम तापमान भी सेल वोल्टेज को कम करता है।

सेल प्रकार

प्राथमिक (गैर-रिचार्जेबल)

Error creating thumbnail:

जिंक-एयर बटन सेल के माध्यम से क्रॉस सेक्शन। A: सेपरेटर, B: जिंक पाउडर एनोड और इलेक्ट्रोलाइट, C: एनोड कैन, D: इंसुलेटर गैसकेट, E: कैथोड कैन, F: एयर होल, G: कैथोड उत्प्रेरक और करंट कलेक्टर, H: एयर डिस्ट्रीब्यूशन लेयर, I: सेमी पारगम्य झिल्ली

प्रति सेल 2,000 एम्पीयर-घंटे तक की क्षमता वाली बड़ी जिंक-एयर बैटरी का उपयोग नेविगेशन उपकरणों और मार्कर रोशनी, समुद्र संबंधी प्रयोगों और रेलवे संकेतों के लिए किया जाता है।

प्राथमिक कोशिकाओं को बटन प्रारूप में लगभग 1 आह तक बनाया जाता है। पोर्टेबल उपकरणों के लिए प्रिज्मीय आकार 5 और 30 आह के बीच की क्षमता के साथ निर्मित होते हैं। हाई पीक धाराओं की अनुमति देने के लिए हाइब्रिड सेल कैथोड में मैंगनीज डाइऑक्साइड शामिल है।

बटन सेल अत्यधिक प्रभावी होते हैं, लेकिन वायु प्रसार प्रदर्शन, गर्मी लंपटता और रिसाव की समस्याओं के कारण उसी निर्माण को बड़े आकार में विस्तारित करना मुश्किल होता है। प्रिज्मीय और बेलनाकार सेल डिजाइन इन समस्याओं का समाधान करते हैं। प्रिज्मीय कोशिकाओं को ढेर करने के लिए बैटरी में वायु चैनलों की आवश्यकता होती है और स्टैक के माध्यम से हवा को मजबूर करने के लिए पंखे की आवश्यकता हो सकती है।

माध्यमिक (रिचार्जेबल)

रिचार्जेबल जिंक-वायु कोशिकाओं को बारीकी से नियंत्रित करने के लिए जल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट से जिंक अवक्षेपण की आवश्यकता होती है। चुनौतियों में डेन्ड्राइट (धातु) का निर्माण शामिल है, गैर-समान जस्ता विघटन, और इलेक्ट्रोलाइट्स में सीमित घुलनशीलता। निर्वहन प्रतिक्रिया उत्पादों से ऑक्सीजन को मुक्त करने के लिए, एक द्वि-कार्यात्मक वायु कैथोड पर प्रतिक्रिया को विद्युत रूप से उलटना मुश्किल है; आज तक परीक्षण की गई झिल्लियों की समग्र दक्षता कम है। चार्जिंग वोल्टेज डिस्चार्ज वोल्टेज से बहुत अधिक है, चक्र ऊर्जा दक्षता को 50% तक कम करता है। अलग-अलग यूनि-फंक्शनल कैथोड द्वारा चार्ज और डिस्चार्ज फंक्शन प्रदान करने से सेल का आकार, वजन और जटिलता बढ़ जाती है।एक संतोषजनक विद्युत पुनर्भरण प्रणाली संभावित रूप से कम सामग्री लागत और उच्च विशिष्ट ऊर्जा प्रदान करती है। 2014 तक, केवल एक कंपनी के पास बिक्री के लिए वाणिज्यिक इकाइयां हैं, जैसा कि संयुक्त राज्य ऊर्जा विभाग | विभाग में वर्णित है। 2013 में ARPA-e एनर्जी इनोवेशन समिट में ऊर्जा उत्पादन वीडियो। Fluidic Energy ने स्पष्ट रूप से एशिया में सैकड़ों हजारों आउटेज को कवर किया है वितरित महत्वपूर्ण लोड साइटों पर। EOS एनर्जी स्टोरेज ने न्यू जर्सी के अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र में माइक्रोग्रिड के लिए 1MWh प्रणाली स्थापित की है और पहले ग्रिड-स्केल बैकअप अनुप्रयोगों का परीक्षण किया है। AZA बैटरी ने स्थिर भंडारण और गतिशीलता अनुप्रयोगों दोनों के लिए उपयुक्त विशेषताओं के साथ प्रिज्मीय जस्ता वायु कोशिकाओं के पायलट उत्पादन के विकास की घोषणा की है।

मैकेनिकल रिचार्ज

रिचार्जेबल सिस्टम यांत्रिक रूप से एनोड और इलेक्ट्रोलाइट को प्रतिस्थापित कर सकते हैं, अनिवार्य रूप से एक नवीनीकरण योग्य प्राथमिक सेल के रूप में काम कर रहे हैं, या रिएक्टेंट को फिर से भरने के लिए जस्ता पाउडर या अन्य तरीकों का उपयोग कर सकते हैं। उच्च ऊर्जा घनत्व और आसान रिचार्जिंग के कारण 1960 के दशक में सैन्य इलेक्ट्रॉनिक्स उपयोगों के लिए यांत्रिक रूप से रिचार्ज किए गए सिस्टम की जांच की गई थी। हालाँकि, प्राथमिक लिथियम बैटरियों ने उच्च निर्वहन दर और आसान हैंडलिंग की पेशकश की।

इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग के लिए दशकों से मैकेनिकल रिचार्जिंग सिस्टम पर शोध किया गया है। त्वरण के दौरान पीक लोड के लिए उपयोग की जाने वाली उच्च डिस्चार्ज-रेट बैटरी पर चार्ज बनाए रखने के लिए कुछ दृष्टिकोण एक बड़ी जिंक-एयर बैटरी का उपयोग करते हैं। जिंक के दाने अभिकारक के रूप में काम करते हैं। सर्विस स्टेशन पर इस्तेमाल किए गए इलेक्ट्रोलाइट और घटे हुए ज़िंक को ताज़ा रिएक्टेंट से बदलकर वाहन रिचार्ज करते हैं।

जिंक-एयर फ्यूल सेल शब्द आमतौर पर जिंक-एयर बैटरी को संदर्भित करता है जिसमें जिंक धातु को जोड़ा जाता है और जिंक ऑक्साइड को लगातार हटा दिया जाता है। जिंक इलेक्ट्रोलाइट पेस्ट या छर्रों को एक कक्ष में धकेल दिया जाता है, और अपशिष्ट जिंक ऑक्साइड को ईंधन टैंक के अंदर अपशिष्ट टैंक या मूत्राशय में पंप कर दिया जाता है। ताजा जस्ता पेस्ट या छर्रों को ईंधन टैंक से लिया जाता है। जिंक ऑक्साइड अपशिष्ट को पुनर्चक्रण के लिए ईंधन भरने वाले स्टेशन पर पंप किया जाता है। वैकल्पिक रूप से, यह शब्द एक विद्युत रासायनिक प्रणाली को संदर्भित कर सकता है जिसमें जस्ता एक ईंधन सेल के एनोड पर हाइड्रोकार्बन के सुधार में सहायता करने वाला एक सह-प्रतिक्रियाशील है।

रिचार्जेबल बैटरियों की तुलना में मैकेनिकल रिचार्जिंग सिस्टम के लाभों में ऊर्जा और पावर घटकों का डिकूप्लिंग शामिल है, जो विभिन्न चार्ज दर, डिस्चार्ज दर और ऊर्जा क्षमता आवश्यकताओं के लिए डिज़ाइन लचीलापन प्रदान करता है।

सामग्री

उत्प्रेरक

कोबाल्ट ऑक्साइड/कार्बन नैनोट्यूब हाइब्रिड ऑक्सीजन रिडक्शन कैटेलिस्ट और निकेल-आयरन स्तरित डबल हाइड्रोक्साइड ऑक्सीजन इवोल्यूशन कैथोड उत्प्रेरकों ने कीमती धातु प्लेटिनम और इरिडियम उत्प्रेरकों की तुलना में केंद्रित क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स में उच्च उत्प्रेरक गतिविधि और स्थायित्व का प्रदर्शन किया। परिणामी प्राथमिक जिंक-एयर बैटरी ने ~265 mW/cm का सर्वोच्च पावर घनत्व दिखाया³, ~200 mA/cm का वर्तमान घनत्व³ 1 V पर और ऊर्जा घनत्व >700 Wh/kg। एक त्रि-इलेक्ट्रोड कॉन्फ़िगरेशन में रिचार्जेबल Zn-air बैटरियों ने 20 mA/cm पर ~0.70-V के एक अभूतपूर्व छोटे चार्ज-डिस्चार्ज वोल्टेज ध्रुवीकरण का प्रदर्शन किया³, लंबे चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों पर उच्च उत्क्रमणीयता और स्थिरता।

2015 में, शोधकर्ताओं ने कार्बन-आधारित, धातु-मुक्त इलेक्ट्रोकैटलिस्ट की घोषणा की जो कमी और ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं दोनों में कुशलता से काम करता है। कार्बनिक यौगिक रंगों का रासायनिक आधार, एक फ्यतिक एसिड समाधान में लंबी श्रृंखलाओं में पोलीमराइज़ किया गया, 2-50 एनएम छिद्रों के साथ एक स्थिर, मेसोपोरस कार्बन एयरजेल में फ्रीज-ड्राय किया गया था, जो उच्च सतह क्षेत्र और बैटरी इलेक्ट्रोलाइट को फैलने के लिए जगह प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने airgel को 1,000 डिग्री सेल्सियस तक पायरोलिसिस किया, फोम को ग्रेफाइटिक नेटवर्क में बदल दिया, जिसमें कई उत्प्रेरक ग्राफीन किनारे थे। एनिलिन ने फोम को नाइट्रोजन के साथ डोप किया, जो कमी को बढ़ाता है। फाइटिक एसिड फोम को फास्फोरस से भर देता है, जिससे ऑक्सीजन के विकास में मदद मिलती है। फोम का सतह क्षेत्रफल ~ 1,663 मीटर है²/gr. प्राथमिक बैटरियों ने 1.48 V की ओपन-सर्किट क्षमता, 735 mAh/gr (Zn) की विशिष्ट क्षमता (835 Wh/kg (Zn) की ऊर्जा घनत्व), 55 mW/cm³ की चरम शक्ति घनत्व और 240 के लिए स्थिर संचालन का प्रदर्शन किया एच यांत्रिक रिचार्जिंग के बाद। दो-इलेक्ट्रोड रिचार्जेबल बैटरी 2 एमए/सेमी पर 180 चक्रों के लिए स्थिर रूप से चक्रित होती हैं^{3</उप>।}

अनुप्रयोग

वाहन प्रणोदन

धात्विक जस्ता का उपयोग वाहनों के लिए वैकल्पिक ईंधन के रूप में किया जा सकता है, या तो जस्ता-वायु बैटरी में या उपयोग के बिंदु के निकट हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए। जिंक की विशेषताओं ने इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में काफी रुचि पैदा की है। गल्फ जनरल एटॉमिक ने 20 kW वाहन बैटरी का प्रदर्शन किया।