Zinc–cerium battery
ઝિંક-સિરિયમ બેટરી એ 2000ના દાયકા દરમિયાન પ્લુરિયન ઇન્ક. (યુકે) દ્વારા સૌપ્રથમ વિકસાવવામાં આવેલી રેડૉક્સ ફ્લો બેટરીનો એક પ્રકાર છે. આ રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બૅટરીમાં, નકારાત્મક ઝિંક અને સકારાત્મક સિરિયમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ બંને કામગીરી દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ફ્લો રિએક્ટર દ્વારા ફેલાય છે અને બે અલગ-અલગ જળાશયોમાં સંગ્રહિત થાય છે. ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિએક્ટરમાં નકારાત્મક અને સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિભાગોને કેટાયન-વિનિમય પટલ દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે નેફિઓન (ડ્યુપોન્ટ). Ce (III)/Ce (IV) અને Zn (II)/Zn રેડૉક્સ પ્રતિક્રિયાઓ અનુક્રમે હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર થાય છે. ઝિંક નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર ચાર્જ દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોપ્લેટેડ હોવાથી આ સિસ્ટમને વર્ણસંકર પ્રવાહ બેટરી તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. ઝિંક-બ્રોમિન અને ઝિંક-ક્લોરિન રેડોક્સ ફ્લો બેટરીઓથી વિપરીત, હેલોજન વાયુઓને વિસર્જન કરવા માટે કોઈ ઘનીકરણ ઉપકરણની જરૂર નથી. ઝિંક-સિરિયમ પ્રણાલીમાં ઉપયોગમાં લેવાતા રીએજન્ટ્સ વેનેડિયમ ફ્લો બેટરીમાં ઉપયોગમાં લેવાતા રીએજન્ટ્સ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે ઓછા ખર્ચાળ છે. જલીય માધ્યમોમાં ઝિંક અને સિરિયમ રેડોક્સ બંને પ્રતિક્રિયાઓની ઉચ્ચ પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ ક્ષમતાને કારણે, ઓપન-સર્કિટ સેલ વોલ્ટેજ 2.43 વી જેટલું ઊંચું છે. અન્ય પ્રસ્તાવિત રિચાર્જ કરી શકાય તેવી જલીય પ્રવાહ બેટરી પ્રણાલીઓમાં, આ પ્રણાલીમાં સૌથી મોટો સેલ વોલ્ટેજ છે અને ઇલેક્ટ્રોડ વિસ્તાર દીઠ તેની શક્તિની ઘનતા H2-Br2 પ્રવાહ બેટરી પછી બીજા ક્રમે છે. મિથેનેસલ્ફોનિક એસિડનો ઉપયોગ સહાયક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે થાય છે, કારણ કે તે ઝિંક અને સિરિયમ બંનેની ઉચ્ચ સાંદ્રતાને મંજૂરી આપે છે; અનુરૂપ મિથેનેસલ્ફોનેટની દ્રાવ્યતા Zn માટે 2.1 એમ, Ce (III) માટે 2.4 એમ અને Ce (IV) માટે 1.0 એમ સુધીની છે. મિથેનેસલ્ફોનિક એસિડ ખાસ કરીને ઔદ્યોગિક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કાર્યક્રમો માટે સારી રીતે અનુકૂળ છે અને તેને અન્ય સહાયક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો લીલો વિકલ્પ માનવામાં આવે છે. ઝેડએન-સી ફ્લો બેટરી હજુ વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કામાં છે. મુખ્ય તકનીકી પડકાર એ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર બિનકાર્યક્ષમતા અને સ્વ સ્રાવ (હાઇડ્રોજન ઉત્ક્રાંતિ દ્વારા Zn કાટ) નું નિયંત્રણ છે. વ્યાપારી દ્રષ્ટિએ, મોંઘા પીટી-ટીઆઈ ઇલેક્ટ્રોડ્સની જરૂરિયાત અન્ય આરએફબીની તુલનામાં સિસ્ટમની મૂડી કિંમતમાં વધારો કરે છે. કોષ રસાયણશાસ્ત્ર નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ (એનોડ) પર, ઝિંકને ઇલેક્ટ્રોપ્લેટ કરવામાં આવે છે અને અનુક્રમે ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન કાર્બન પોલિમર ઇલેક્ટ્રોડ પર છીનવી લેવામાં આવે છે. Zn2 + (aq) + 2e − Zn (s) (− 0.76 V વિરુદ્ધ SHE) હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર (કેથોડ) (ટાઇટેનિયમ આધારિત સામગ્રી અથવા કાર્બન ફીલ્ડ ઇલેક્ટ્રોડ), Ce (III) ઓક્સિડેશન અને Ce (IV) ઘટાડો અનુક્રમે ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન થાય છે. Ce4 + (aq) − e − Ce3 + (aq) (ca. + 1.44 વી વિ. એસ. એચ. ઇ.) મોટા સેલ વોલ્ટેજને કારણે, હાઇડ્રોજન (0 વી વિ. એસ. એચ. ઇ.) અને ઓક્સિજન (+ 1.23 વી વિ. એસ. એચ. ઇ.) સૈદ્ધાંતિક રીતે બેટરી કામગીરી દરમિયાન (ખાસ કરીને ચાર્જિંગ પર) આડઅસરો તરીકે વિકસિત થઈ શકે છે. હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ સિરિયમ (III) મિથેનેસલ્ફોનેટનું દ્રાવણ છે. ઇતિહાસ અને વિકાસ ઝિંક-સિરિયમ રેડોક્સ ફ્લો બેટરીની દરખાસ્ત સૌપ્રથમ 2004માં ક્લાર્ક અને સહકાર્યકરો દ્વારા કરવામાં આવી હતી, જે પ્લુરિયન ઇન્ક. (યુકે) ની મુખ્ય તકનીક રહી છે. 2008 માં, પ્લુરિયન ઇન્ક. ને પ્રવાહિતા કટોકટીનો સામનો કરવો પડ્યો હતો અને 2010 માં તે ફડચામાં આવી હતી અને કંપની ઔપચારિક રીતે 2012 માં વિસર્જન કરવામાં આવી હતી. જો કે, પ્લુરિયન ઇન્કના પ્રારંભિક પેટન્ટમાં વર્ણવેલ પ્રાયોગિક પરિસ્થિતિઓ અને ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પ્રદર્શનની માહિતી મર્યાદિત છે. 2010ના દાયકાથી, સાઉથેમ્પ્ટન અને સ્ટ્રેથક્લાઇડ યુનિવર્સિટીઓના સંશોધકો દ્વારા ઝિંક-સિરિયમ રેડોક્સ ફ્લો બૅટરીના વિદ્યુતરાસાયણિક ગુણધર્મો અને લાક્ષણિકતાઓની ઓળખ કરવામાં આવી છે. 50 mA cm−2 પર ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન, ઝિંક-સિરિયમ રેડોક્સ ફ્લો બેટરીની કુલોમ્બિક અને વોલ્ટેજ કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 92 અને 68 ટકા હોવાનું નોંધાયું હતું. 2011 માં, કાર્બનના કોમ્પ્રેસ્ડ ટુકડાઓનો ઉપયોગ કરીને નીચા એસિડ સાંદ્રતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પર આધારિત પટલ વિનાની (અવિભાજિત) ઝિંક-સેરિયમ સિસ્ટમની દરખાસ્ત કરવામાં આવી હતી. ડિસ્ચાર્જ સેલ વોલ્ટેજ અને ઊર્જા કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે આશરે 2.1 વી અને 75 ટકા હોવાનું નોંધાયું હતું. આવા અવિભાજિત રૂપરેખાંકન (સિંગલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કમ્પાર્ટમેન્ટ) સાથે, સેરિયમ અને એસિડની ઓછી સાંદ્રતામાં સ્વ-સ્રાવ પ્રમાણમાં ધીમો હતો. ઝિંક-સિરિયમ રેડોક્સ ફ્લો બેટરીનું મુખ્ય સ્થાપન ગ્લેનરોથેસ, સ્કોટલેન્ડમાં> 2 કેડબલ્યુ પરીક્ષણ સુવિધા હતી, જે પ્લુરિયન ઇન્ક દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી. સ્ટેટ કી લેબોરેટરી ઓફ રેયર અર્થ રિસોર્સ યુટિલાઇઝેશન અને જિયાંગ્ઝી યુનિવર્સિટી ઓફ સાયન્સ એન્ડ ટેકનોલોજી, ચીનમાં સકારાત્મક અર્ધ-કોષ માટે મિશ્ર એસિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ઉપયોગની તપાસ સિરિયમ રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાના ગતિશાસ્ત્રને વધારવાના માધ્યમ તરીકે કરવામાં આવી છે. પ્લેટિનમ-ઇરિડિયમ કોટિંગ્સ બેટરી માટે હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન દર્શાવે છે, જ્યારે પ્લેટિનમ ઇલેક્ટ્રોડ કરતા ઓછા ખર્ચાળ છે. સિસ્ટમના ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જનું પ્રારંભિક રીતે અનુકરણ કરવામાં આવ્યું છે. મિશ્ર એસિડ પર સંશોધન ચાલુ છે અને તે દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડની ઓછી સાંદ્રતા સિરિયમ પ્રતિક્રિયાના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિભાવમાં સુધારો કરી શકે છે, જ્યારે નાઇટ્રિક એસિડના ઉમેરાઓ નકારાત્મક પરિણામો ધરાવે છે. સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે શ્રેણીબદ્ધ છિદ્રાળુ કાર્બને પ્રયોગશાળાના સ્કેલ પ્રયોગોમાં અનુભવાયેલા કાર્બન કરતાં વધુ સારી કામગીરી આપી છે. નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પર ઝિંક ઇલેક્ટ્રોડિપોજિશનનો અભ્યાસ હલ સેલનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યો છે. સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ માટે વૈકલ્પિક સામગ્રી તરીકે કાર્બન પેપરનો પણ અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. ગ્રાફિન ઓક્સાઇડ-ગ્રેફાઇટ સંયોજનોએ હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં સિરિયમની પ્રતિક્રિયા માટે વધુ સારી ઉત્પ્રેરક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે કેટલાક વચન દર્શાવ્યું છે. સમાન સિરિયમ-લીડ આર. એફ. બી. ની દરખાસ્ત કરવામાં આવી છે. ઇન્ડિયમ-સંશોધિત ઇલેક્ટ્રોડ્સને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે પરંપરાગત ગ્રેફાઇટાઇઝ્ડ કાર્બનના વિકલ્પ તરીકે સૂચવવામાં આવ્યા છે. ઝેડએન-સીઇ પ્રણાલીએ સલ્ફ્યુરિક એસિડના વધુ સારા વિકલ્પ તરીકે અન્ય ફ્લો બેટરીઓમાં આ એસિડનો ઉપયોગ રજૂ કર્યો છે. Zn-CE એકમ પ્રવાહ કોષ માટે કોષની ક્ષમતા અને વર્તમાન ઘનતા વચ્ચેના સંબંધનો અંદાજ લગાવવામાં આવ્યો છે. આનાથી બૅટરી વોલ્ટેજના થર્મોડાયનેમિક, કાઇનેટિક અને ઓહમિક ઘટકોના યોગદાનને તર્કસંગત બનાવવાની અને આંતર-ઇલેક્ટ્રોડ અંતર વધવાની અસરનું મૂલ્યાંકન કરવાની મંજૂરી મળી. ઝેડએન-સીઇ બૅટરીના વિકાસની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે, તેમજ ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે સિરિયમ રૂપાંતરણની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ તકનીકની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે, જેમાં ઊર્જા સંગ્રહ, પરમાણુ શુદ્ધિકરણ, પરોક્ષ કાર્બનિક સંશ્લેષણ, જોખમી કાર્બનિક પદાર્થોનો નાશ અને ગેસ સ્ક્રબિંગનો સમાવેશ થાય છે. આ પણ જુઓ ઊર્જા સંગ્રહ લોડ બેલેન્સિંગ ફ્લો બેટરી રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બેટરી (વીજળી) ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેલ બેટરી પ્રકારોની સૂચિ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ યુનિવર્સિટી ઓફ સાઉધમ્પ્ટન રિસર્ચ પ્રોજેક્ટઃ ઝિંક-સિરિયમ રેડોક્સ ફ્લો સેલ બેટરી યુ. એસ. ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના ફ્લો સેલ ફોર એનર્જી સ્ટોરેજ વર્કશોપ બેટરી પ્રકારો ફ્લો બેટરી