Fluoride battery
फ्लोराइड-आयन बैटरी (फ्लोराइड बैटरी और फ्लोराइड शटल बैटरी) रिचार्जेबल बैटरी तकनीक हैं जो आयनिक चार्ज वाहक के रूप में फ्लोराइड आयनों के शटल पर आधारित हैं। इस तरह के रसायन विज्ञान ने 2010 के दशक के मध्य में अपनी पर्यावरणीय मित्रता के कारण रुचि आकर्षित की है, क्योंकि इलेक्ट्रोड संरचना में दुर्लभ और भौगोलिक रूप से तनावग्रस्त खनिज संसाधनों से बचने के कारण (जैसे। कोबाल्ट और निकल) और उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व। इसके अलावा, चूंकि कोई धातु लेप और स्ट्रिपिंग नहीं है, इसलिए डेंड्राइट का गठन नगण्य है, यदि उच्च क्षमता वाले धातु एनोड का उपयोग किया जाता है, जिसमें सुरक्षा, चक्रीयता और ऊर्जा भंडारण क्षमता में वृद्धि होती है। सैद्धांतिक रूप से, कम लागत वाले इलेक्ट्रोड और तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाले एफ. बी. में ऊर्जा घनत्व ~ 800 एमएएच/जी और ~ 4800 डब्ल्यूएच/एल तक हो सकता है। फ्लोराइड-आयन आधारित प्रौद्योगिकी विकास के प्रारंभिक चरण में है और व्यावसायिक रूप से कोई उपकरण उपलब्ध नहीं हैं। वास्तविक प्रदर्शन को सीमित करने वाले मुख्य मुद्दों में तरल इलेक्ट्रोलाइट्स में नग्न फ्लोराइड की उच्च प्रतिक्रियाशीलता, कमरे के तापमान पर ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स की कम फ्लोराइड-आयन आयनिक चालकता और रूपांतरण-प्रकार के इलेक्ट्रोड का आयतन विस्तार है जो चार्जिंग-डिस्चार्ज साइक्लिंग के दौरान कोशिका घटकों पर यांत्रिक तनाव डालते हैं जिससे समय से पहले क्षमता कम हो जाती है। उपरोक्त सीमाओं के बावजूद, फ्लोराइड-आयन आधारित प्रौद्योगिकी विद्युत रासायनिक भंडारण प्रौद्योगिकी की अगली पीढ़ी के लिए एक उम्मीदवार का प्रतिनिधित्व करती है। 1974 में 400 से 500 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर CaF2 की फ्लोराइड आयनिक चालकता पर काम करते हुए फ्लोराइड-आयन शटल का प्रस्ताव रखा गया था। 70 के दशक और 80 के दशक की शुरुआत के बीच अनुसंधान जारी रहा जब उच्च तापमान पर अकार्बनिक फ्लोराइड की फ्लोराइड चालकता के बारे में अन्य अध्ययन किए गए, एक व्यावहारिक अनुप्रयोग 1976 में पोटेशियम फ्लोराइड के साथ β-PbF2 डोपिंग किया गया था। जब एक गैल्वेनिक कोशिका में एक ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट के रूप में नियोजित किया जाता है तो यह सामग्री सैद्धांतिक वोल्टेज के करीब ओपन-सर्किट वोल्टेज तक पहुंचने की अनुमति देती है, लेकिन जब एक भार लागू किया जाता है तो एक धारा को बनाए रखने में विफल रहती है। 1980 के दशक में बाद में फ्लोराइड-आयन शटल के क्षेत्र में थोड़ी प्रगति हुई, केवल कुछ अध्ययनों में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध बैटरियों, उच्च कार्यशील तापमान (160 डिग्री सेल्सियस तक) और सीमित कोशिका जीवन की तुलना में असंतोषजनक निर्वहन क्षमता के साथ लैंथेनम, सीसा या सेरियम फ्लोराइड पर आधारित ठोस-अवस्था फ्लोराइड प्रवाहक सामग्री का उपयोग करने वाली कार्यशील कोशिकाओं की सूचना दी गई। एफ. बी. के लिए वास्तविक रुझान 2010 के दशक के मध्य से ध्यान आकर्षित करना शुरू कर दिया, जो ऊर्जा संक्रमण और नए ऊर्जा भंडारण उपकरणों की जरूरतों से प्रेरित था। ठोस और तरल दोनों इलेक्ट्रोलाइट्स में सुधार किया गया। कार्य सिद्धांत फ्लोराइड बैटरी रसायन विज्ञान कैथोड पक्ष में एक अधिक उत्कृष्ट धातु फ्लोराइड (एम. एफ. एक्स.) के खर्च पर एनोड पक्ष में एक इलेक्ट्रोपोजिटिव धातु (एम.) के प्रतिवर्ती विद्युत रासायनिक फ्लोरिनेशन पर निर्भर करता है। निर्वहन प्रक्रिया कैथोड में (+) xe-+ MF _ {x}-> M + xF-एनोड में (-) xF-+ M '-> xe-+ M' F _ {x} चार्ज प्रक्रिया कैथोड में (-) xe-+ M 'F _ {x}-> M' + xF-एनोड में (+) xF-+ M-> xe-प्रकार इलेक्ट्रोड रूपांतरण-प्रकार इलेक्ट्रोड रूपांतरण-प्रकार इलेक्ट्रोड में होने वाली रेडॉक्स प्रतिक्रिया जो सामग्री की क्रिस्टल संरचना को बदल देती है, यह प्रक्रिया अक्सर कणों की मात्रा में एक बड़ी भिन्नता की ओर ले जाती है जो सामग्री की मात्रा को खो सकती है। अभिसरण-प्रकार इलेक्ट्रोड का एक लाभ प्रति रेडॉक्स केंद्र में एक से अधिक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का दोहन करने की संभावना है, जिससे विशिष्ट क्षमता में वृद्धि होती है। इस वर्ग में कुछ सरल धातु और संक्रमण धातु फ्लोराइड शामिल हैं, जो प्रति मोल दो या दो से अधिक इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान कर सकते हैं, जैसे कि BiF3, Bi0.8Ba0.2F2.8, PbF2, FeF3, CuF2, KBiF3 कैथोड पक्ष में या एनोड पक्ष में Ca और Mg। इंटरकेलेशन-टाइप इंटरकेलेशन-टाइप इलेक्ट्रोड में, फ्लोराइड आयनों को इलेक्ट्रोड सामग्री के क्रिस्टल जाली में एक रिक्ति में डाला जा सकता है, इसकी संरचना को बदले बिना। इस मामले में, आयतन भिन्नता बहुत कम हो जाती है जिससे ये सामग्री अधिक स्थिर हो जाती है। इसके विपरीत, प्रति रेडॉक्स केंद्र में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण आमतौर पर एक तक सीमित होता है, जिससे उपलब्ध विशिष्ट क्षमता कम हो जाती है। इलेक्ट्रोलाइट्स तरल इलेक्ट्रोलाइट्स एफ. बी. के लिए तरल इलेक्ट्रोलाइट्स इलेक्ट्रोड के आयतन विस्तार से उत्पन्न होने वाली समस्या का समाधान प्रदान करेंगे और साथ ही आंतरिक उच्च आयन गतिशीलता के कारण परिचालन तापमान में कमी के लिए, जिसके परिणामस्वरूप उच्च आयन चालकता होती है। अकार्बनिक फ्लोराइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स अकार्बनिक-आधारित तरल इलेक्ट्रोलाइट्स एक कार्बनिक अप्रोटिक विलायक में क्षार धातु फ्लोराइड को भंग करके बनाए जाते हैं, लेकिन सामान्य बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स विलायकों में अकार्बनिक फ्लोराइड की कम घुलनशीलता खराब आयनिक चालकता की ओर ले जाती है। लवण की घुलनशीलता को बढ़ाने के लिए, और परिणामस्वरूप, आयनिक चालकता, बोरॉन-आधारित आयन ग्रहणकर्ताओं का उपयोग कार्बनिक पदार्थों में नमक की घुलनशीलता को बढ़ाने के लिए किया गया था, उदाहरण के लिए, ट्राइफिनाइलबोरॉक्सिन और ट्राइफिनाइलबोरेन सहित विभिन्न आयन ग्रहणकर्ताओं के साथ टेट्राग्लाइमे में घुलनशील सीज़ियम फ्लोराइड पर आधारित एक इलेक्ट्रोलाइट की खोज की गई थी। ऑर्गेनिक फ्लोराइड-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स ऑर्गेनिक-आधारित तरल इलेक्ट्रोलाइट्स को उचित ऑर्गेनिक एप्रोटिक सॉल्वैंट्स में टेट्राल्किलमोनियम लवणों को भंग करके विकसित किया गया था। मुख्य मुद्दा अनसुलझे फ्लोराइड-आयन का उच्च न्यूक्लियोफिलिक व्यवहार है जो हॉफमैन उन्मूलन तंत्र के माध्यम से एल्किल समूहों के β-हाइड्रोजन के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करता है। एक स्थिर कार्बनिक-आधारित इलेक्ट्रोलाइट प्राप्त करने के लिए, बीटा-हाइड्रोजन के बिना अमोनियम लवणों को नियोजित किया गया और एन, एन, एन-ट्राइमिथाइल-एन-नियोपेंटिलमोनियम फ्लोराइड का परीक्षण किया गया जो आंशिक रूप से फ्लोरिनयुक्त ईथर में उच्च सांद्रता पर घुलनशील था। ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स सामग्री की आंतरिक चुनौतियों के बावजूद, वास्तव में, अधिकांश फ्लोराइड-संवाहक सामग्री उच्च तापमान (160 डिग्री सेल्सियस तक) पर भी अपर्याप्त आयनिक चालकता प्राप्त करते हैं जो वाणिज्यिक उपयोग की संभावना को सीमित करते हैं। इसके अलावा, इन सामग्रियों की कठोरता रूपांतरण कैथोड के उच्च आयतन विस्तार का सामना नहीं करती है। टायसनाइट-प्रकार दुर्लभ-पृथ्वी फ्लोराइड टायसनाइट-प्रकार संरचना के साथ दुर्लभ-पृथ्वी फ्लोराइड (आरई1-xएमएक्सएफ3-एक्स जहां आरई ला, सी, एसएम और एम के बीच एक दुर्लभ-पृथ्वी है, बा, सीए, या एसआर जैसी दूसरी समूह धातु है) का अध्ययन किया गया है, क्योंकि उनकी विस्तृत विद्युत रासायनिक स्थिरता खिड़कियों के कारण, 4 वी बनाम ली +/ली तक। एक उदाहरण के रूप में, 2017 में, इसे एक बॉल मिलिंग तकनीक, बेरियम-डोप्ड लैंथेनम फ्लोराइड (एलबीएफ) के साथ संश्लेषित किया गया था, जो कमरे के तापमान पर लगभग 10-5 एस सेमी-1 की आयनिक चालकता तक पहुंचता है, लेकिन फिर भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ली-आयन बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स से कम है। आयनिक चालकता के संदर्भ में इसी तरह के परिणाम स्ट्रोंटियम फ्लोराइड या कैल्शियम-डोप्ड समरियम फ्लोराइड के साथ डोप किए गए सेरियम फ्लोराइड के साथ प्राप्त किए गए थे। क्षारीय-पृथ्वी फ्लोराइडों में, बेरियम-टिन फ्लोराइड (बी. ए. एस. एन. एफ. 4) ने कमरे के तापमान पर अपनी अपेक्षाकृत उच्च आयनिक चालकता के कारण 10-4 एस. सी. एम.-1 के क्रम में जांच की है। आयनिक चालकता में वृद्धि के बावजूद, एस. एन. 2 + की कम विद्युत रासायनिक स्थिरता खिड़की एनोड के रूप में धातुओं को कम करने के उपयोग को रोकती है, अधिकतम कोशिका क्षमता को कम करती है, और परिणामस्वरूप, ऊर्जा घनत्व। 2019 में शोधकर्ताओं ने एक बी. ए. एस. एन. एफ. 4 ठोस इलेक्ट्रोलाइट के साथ रिचार्जेबल एफ. बी. प्राप्त किया, जो बी. ए. एस. एन. एफ. 4 की विद्युत रासायनिक स्थिरता खिड़कियों का विस्तार करने वाले एल. बी. एफ. की एक अंतः परत से ढका हुआ था। वाणिज्यिक बैटरी प्रकारों की तुलना भी देखें बैटरी प्रकारों की सूची लिथियम-आयन बैटरी रिचार्जेबल लिथियम धातु बैटरी संदर्भ बैटरी प्रकार बाहरी लिंक