Fluoride battery
ફ્લોરાઇડ-આયન બેટરીઓ (ફ્લોરાઇડ બેટરીઓ અને ફ્લોરાઇડ શટલ બેટરીઓ) રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બેટરી ટેકનોલોજી છે જે આયનીય ચાર્જ વાહક તરીકે ફ્લોરાઇડ આયનોના શટલ પર આધારિત છે. આ પ્રકારનું રસાયણશાસ્ત્ર 2010ના દાયકાના મધ્યમાં તેની પર્યાવરણીય મિત્રતાને કારણે રસ આકર્ષિત કરે છે, જે ઇલેક્ટ્રોડની રચનામાં દુર્લભ અને ભૌગોલિક રીતે તણાવગ્રસ્ત ખનિજ સંસાધનોને ટાળવાને કારણે છે (દા. ત. કોબાલ્ટ અને નિકલ) અને ઉચ્ચ સૈદ્ધાંતિક ઊર્જા ઘનતા. વધુમાં, મેટલ પ્લેટિંગ અને સ્ટ્રીપિંગ ન હોવાથી, જો સલામતી, ચક્રીયતા અને ઊર્જા સંગ્રહ ક્ષમતામાં વધારો કરીને ઉચ્ચ ક્ષમતાવાળા ધાતુના એનોડ્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે તો પણ ડેંડ્રાઇટ્સની રચના નજીવી છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, ઓછી કિંમતના ઇલેક્ટ્રોડ અને પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરતા એફબીમાં ~ 800 એમએએચ/જી અને ~ 4800 ડબલ્યુએચ/એલ જેટલી ઊર્જા ઘનતા હોઈ શકે છે. ફ્લોરાઇડ-આયન આધારિત ટેકનોલોજી વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કામાં છે અને, ત્યાં કોઈ વ્યાવસાયિક રીતે ઉપલબ્ધ ઉપકરણો નથી. વાસ્તવિક કામગીરીને મર્યાદિત કરતી મુખ્ય સમસ્યાઓ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં નેકેડ ફ્લોરાઇડની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાશીલતા, ઓરડાના તાપમાને સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની ઓછી ફ્લોરાઇડ-આયન આયનીય વાહકતા અને રૂપાંતર-પ્રકારનાં ઇલેક્ટ્રોડ્સનું કદ વિસ્તરણ છે જે ચાર્જિંગ-ડિસ્ચાર્જ સાઇકલિંગ દરમિયાન કોષ ઘટકો પર યાંત્રિક તાણ મૂકે છે જે અકાળ ક્ષમતા લુપ્ત થવા તરફ દોરી જાય છે. ઉપરોક્ત મર્યાદાઓ હોવા છતાં, ફ્લોરાઇડ-આયન આધારિત ટેકનોલોજી આગામી પેઢીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્ટોરેજ ટેકનોલોજી માટે ઉમેદવારનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. 1974માં 400થી 500 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધીના તાપમાને CaF2ની ફ્લોરાઇડ આયનીય વાહકતા પર કામ કરતી વખતે ફ્લોરાઇડ-આયન શટલની દરખાસ્ત કરવામાં આવી હતી. 70 અને 80 ના દાયકાની શરૂઆતમાં સંશોધન ચાલુ રહ્યું જ્યારે ઊંચા તાપમાને અકાર્બનિક ફ્લોરાઇડ્સની ફ્લોરાઇડ વાહકતા વિશે અન્ય અભ્યાસો હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા, એક વ્યવહારુ ઉપયોગ 1976 માં પોટેશિયમ ફ્લોરાઇડ સાથે β-PbF2 ડોપિંગ કરવામાં આવ્યો હતો. જ્યારે ગેલ્વેનિક કોષમાં સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે ત્યારે આ સામગ્રી સૈદ્ધાંતિક વોલ્ટેજની નજીક ઓપન-સર્કિટ વોલ્ટેજ સુધી પહોંચવાની મંજૂરી આપે છે, પરંતુ જ્યારે ભાર લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે તે પ્રવાહને ટકાવી રાખવામાં નિષ્ફળ જાય છે. 1980ના દાયકાના ઉત્તરાર્ધમાં ફ્લોરાઇડ-આયન શટલિંગના ક્ષેત્રમાં થોડી પ્રગતિ થઈ હતી, માત્ર થોડા અભ્યાસોએ અહેવાલ આપ્યો હતો કે વ્યાવસાયિક રીતે ઉપલબ્ધ બેટરીઓ, ઉચ્ચ કાર્યકારી તાપમાન (160 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી) અને મર્યાદિત કોષ જીવનની સરખામણીમાં લેન્થનમ, સીસું અથવા સિરિયમ ફ્લોરાઇડ પર આધારિત સોલિડ-સ્ટેટ ફ્લોરાઇડ વાહક સામગ્રીનો ઉપયોગ કરીને કાર્યરત કોષો અસંતોષકારક સ્રાવ ક્ષમતા સાથે કામ કરે છે. એફ. બી. માટેના સાચા વલણોએ 2010ના દાયકાના મધ્યથી ધ્યાન ખેંચવાનું શરૂ કર્યું હતું, જે ઊર્જા સંક્રમણ અને નવા ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણોની જરૂરિયાતો દ્વારા સંચાલિત હતા. ઘન અને પ્રવાહી બંને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો હતો. કાર્ય સિદ્ધાંત ફ્લોરાઇડ બેટરીનું રસાયણશાસ્ત્ર કેથોડ બાજુએ વધુ ઉમદા મેટલ ફ્લોરાઇડ (MFx) ના ખર્ચે એનોડ બાજુએ ઇલેક્ટ્રોપોઝિટિવ મેટલ (M ') ના રિવર્સિબલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ફ્લોરિનેશન પર આધાર રાખે છે. વિસર્જન પ્રક્રિયા કેથોડ ખાતે (+) xe ^-+ MF _ {x}-> M + xF-એનોડ ખાતે (-) xF ^-+ M '-> xe ^-+ M' F _ {x} ચાર્જ પ્રક્રિયા કેથોડ ખાતે (-) xe ^-+ M 'F _ {x}-> M' + xF-એનોડ ખાતે (+) xF ^-+ M-> xe ^-+ MF _ {x} ઇલેક્ટ્રોડ્સ રૂપાંતર-પ્રકાર ઇલેક્ટ્રોડ્સ રૂપાંતર-પ્રકાર ઇલેક્ટ્રોડ્સ રૂપાંતર-પ્રકાર ઇલેક્ટ્રોડ્સમાં રેડૉક્સ પ્રતિક્રિયા જે થાય છે તે સામગ્રીના સ્ફટિક માળખામાં જ ફેરફાર કરે છે, આ પ્રક્રિયા ઘણીવાર કણોના કદમાં મોટી વિવિધતા તરફ દોરી જાય છે જે પદાર્થને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે. રૂપાંતર-પ્રકારનાં ઇલેક્ટ્રોડનો એક ફાયદો એ છે કે રેડોક્સ કેન્દ્ર દીઠ એક કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફરનો ઉપયોગ કરવાની સંભાવના છે, જે ચોક્કસ ક્ષમતામાં વધારો કરે છે. આ વર્ગમાં કેટલાક સરળ ધાતુ અને સંક્રમણ ધાતુના ફ્લોરાઈડ્સનો સમાવેશ થાય છે, જે કેથોડ બાજુએ BiF3, Bi0.8Ba0.2F2.8, PbF2, FeF3, CuF2, KBiF3 અથવા એનોડ બાજુએ Ca અને Mg જેવા મોલ દીઠ બે અથવા વધુ ઇલેક્ટ્રોનનું વિનિમય કરી શકે છે. ઇન્ટરકલેશન-પ્રકાર ઇન્ટરકલેશન-પ્રકારનાં ઇલેક્ટ્રોડ્સમાં, ફ્લોરાઇડ આયનોને તેની રચનામાં ફેરફાર કર્યા વિના, ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના સ્ફટિક જાળીમાં ખાલી જગ્યામાં દાખલ કરી શકાય છે. આ કિસ્સામાં, વોલ્યુમની વિવિધતામાં ઘણો ઘટાડો થાય છે જે આ સામગ્રીને વધુ સ્થિર બનાવે છે. તેનાથી વિપરીત, રેડૉક્સ કેન્દ્ર દીઠ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર સામાન્ય રીતે એક સુધી મર્યાદિત હોય છે, જે ઉપલબ્ધ ચોક્કસ ક્ષમતાને ઘટાડે છે. એફ. બી. માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ઇલેક્ટ્રોડ્સના વોલ્યુમેટ્રિક વિસ્તરણથી ઉત્પન્ન થતી સમસ્યાનું સમાધાન પ્રદાન કરશે અને તે જ સમયે આંતરિક ઉચ્ચ આયન ગતિશીલતાને કારણે ઓપરેટિંગ તાપમાનમાં ઘટાડો થશે, જે ઉચ્ચ આયન વાહકતામાં પરિણમે છે. અકાર્બનિક ફ્લોરાઈડ્સ-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઈટ્સ અકાર્બનિક-આધારિત પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઈટ્સ કાર્બનિક અપ્રોટિક દ્રાવકમાં આલ્કલી મેટલ ફ્લોરાઈડ્સને ઓગાળીને બનાવવામાં આવે છે પરંતુ સામાન્ય બેટરી ઇલેક્ટ્રોલાઈટ્સ દ્રાવકોમાં અકાર્બનિક ફ્લોરાઈડ્સની ઓછી દ્રાવ્યતા નબળી આયનીય વાહકતા તરફ દોરી જાય છે. ક્ષારની દ્રાવ્યતા વધારવા માટે, અને પરિણામે, આયનીય વાહકતા, બોરોન આધારિત આયન સ્વીકારનારાઓનો ઉપયોગ કાર્બનિક પદાર્થોમાં મીઠાની દ્રાવ્યતા વધારવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો, ઉદાહરણ તરીકે, ટ્રાઇફિનાઇલબોરોક્સિન અને ટ્રાઇફિનાઇલબોરેન સહિત વિવિધ આયન સ્વીકારનારાઓ સાથે ટેટ્રાગ્લાયમમાં ઓગળેલા સીઝિયમ ફ્લોરાઇડ પર આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટની શોધ કરવામાં આવી હતી. કાર્બનિક ફ્લોરાઈડ્સ-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઈટ્સ કાર્બનિક-આધારિત પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઈટ્સ યોગ્ય કાર્બનિક એપ્રોટિક દ્રાવકોમાં ટેટ્રાલ્કીલેમોનિયમ ક્ષારને ઓગાળીને વિકસાવવામાં આવ્યા હતા. મુખ્ય મુદ્દો ઉકેલાયેલા ફ્લોરાઇડ-આયનનું ઉચ્ચ ન્યુક્લિયોફિલિક વર્તન છે જે હોફમેન નાબૂદી પદ્ધતિ દ્વારા આલ્કાઈલ જૂથોના β-હાઇડ્રોજન સાથે સરળતાથી પ્રતિક્રિયા આપે છે. સ્થિર કાર્બનિક-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મેળવવા માટે, β-હાઇડ્રોજન વિનાના એમોનિયમ ક્ષારનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો અને એન, એન, એન-ટ્રાઇમિથાઇલ-એન-નિયોપેન્ટીલેમોનિયમ ફ્લોરાઇડનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું જે આંશિક રીતે ફ્લોરિનયુક્ત ઈથરમાં ઉચ્ચ સાંદ્રતામાં ઓગળી જાય છે. સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સામગ્રીના આંતરિક પડકારો હોવા છતાં, હકીકતમાં, મોટાભાગની ફ્લોરાઇડ-વાહક સામગ્રી ઊંચા તાપમાને (160 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી) પણ અપૂરતી આયનીય વાહકતા પ્રાપ્ત કરે છે જે વ્યાપારી ઉપયોગની શક્યતાને મર્યાદિત કરે છે. વધુમાં, આ સામગ્રીની કઠોરતા રૂપાંતર કેથોડ્સના ઉચ્ચ વોલ્યુમેટ્રિક વિસ્તરણનો સામનો કરતી નથી. ટાયસોનાઇટ-પ્રકારની દુર્લભ-પૃથ્વી ફ્લોરાઈડ્સ ટાયસોનાઇટ-પ્રકારની રચના સાથે દુર્લભ-પૃથ્વી ફ્લોરાઈડ્સ (RE1-xMxF3-x જ્યાં RE એ લા, સીઇ, એસએમ અને એમ વચ્ચે દુર્લભ-પૃથ્વી છે, તે બા, સીએ અથવા એસઆર જેવી બીજી જૂથની ધાતુ છે) નો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે, કારણ કે તેમની વિશાળ વિદ્યુતરાસાયણિક સ્થિરતા બારીઓ, 4 વી વિરુદ્ધ લી +/લી સુધી છે. ઉદાહરણ તરીકે, 2017 માં, તેનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, બોલ મિલિંગ તકનીક, બેરિયમ-ડોપ્ડ લેન્થેનમ ફ્લોરાઇડ (એલ. બી. એફ.) સાથે, ઓરડાના તાપમાને લગભગ <આઇ. ડી. 1> એસ. સે. મી.-1 ની આયનીય વાહકતા સુધી પહોંચ્યું હતું, પરંતુ હજુ પણ વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ લિ-આયન બેટરીઓમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પરંપરાગત પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ કરતા ઓછું છે. આયનીય વાહકતાની દ્રષ્ટિએ સમાન પરિણામો સ્ટ્રોન્ટીયમ ફ્લોરાઇડ અથવા કેલ્શિયમ-ડોપ્ડ સમેરિયમ ફ્લોરાઇડ સાથે ડોપ કરેલા સિરિયમ ફ્લોરાઇડ સાથે પ્રાપ્ત થયા હતા. આલ્કલાઇન-અર્થ ફ્લોરાઇડ્સમાં, બેરિયમ-ટિન ફ્લોરાઇડ (બી. એ. એસ. એન. એફ. 4) ની તપાસ ઓરડાના તાપમાને તેની પ્રમાણમાં ઊંચી આયનીય વાહકતાને કારણે, <આઇ. ડી. 1> એસ. સે. મી.-1 ના ક્રમમાં કરવામાં આવી છે. આયનીય વાહકતામાં વધારો થયો હોવા છતાં, Sn2 + ની નીચી વિદ્યુતરાસાયણિક સ્થિરતા વિંડો ધાતુઓને એનોડ તરીકે ઘટાડવાના ઉપયોગને અટકાવે છે, મહત્તમ કોષની ક્ષમતામાં ઘટાડો કરે છે અને પરિણામે, ઊર્જાની ઘનતા. 2019 માં સંશોધકોએ બીએએસએનએફ 4 ની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્થિરતા બારીઓને લંબાવતા એલબીએફના ઇન્ટરલેયર સાથે આવરી લેવામાં આવેલા બીએએસએનએફ 4 નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે રિચાર્જ કરી શકાય તેવું એફબી મેળવ્યું. આ પણ જુઓ વ્યાપારી બેટરી પ્રકારોની સરખામણી બેટરી પ્રકારોની યાદી લિથિયમ-આયન બેટરી રિચાર્જ કરી શકાય તેવી લિથિયમ મેટલ બેટરી સંદર્ભો બેટરી પ્રકારો બાહ્ય કડીઓ