Aluminium-ion battery
एल्यूमीनियम-आयन बैटरी रिचार्जेबल बैटरी का एक वर्ग है जिसमें एल्यूमीनियम आयन चार्ज वाहक के रूप में काम करते हैं। एल्यूमीनियम प्रति आयन तीन इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान कर सकता है। इसका मतलब है कि एक Al3 + का सम्मिलन तीन Li + आयनों के बराबर है। इस प्रकार, चूंकि Al3 + (0.54 Å) और Li + (0.76 Å) की आयनिक त्रिज्याएँ समान हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों और Al3 + आयनों की काफी अधिक संख्या को कैथोड द्वारा कम नुकसान के साथ स्वीकार किया जा सकता है। अल में ली का ऊर्जा घनत्व 50 गुना (23.5 मेगावाट-घंटे एम-3) है और यह कोयले से भी अधिक है। त्रिभुज चार्ज वाहक, ए. एल. 3 + इस बैटरी का लाभ और नुकसान दोनों है। जबकि एक आयन द्वारा आवेश की 3 इकाइयों को स्थानांतरित करने से ऊर्जा भंडारण क्षमता में काफी वृद्धि होती है, एक त्रिभुज कैटायन के साथ इलेक्ट्रोड का स्थिरविद्युत अंतःक्रिया अच्छी तरह से परिभाषित विद्युत रासायनिक व्यवहार के लिए बहुत मजबूत है। रिचार्जेबल एल्यूमीनियम-आधारित बैटरियाँ उच्च क्षमता के साथ कम लागत और कम ज्वलनशीलता की संभावनाएँ प्रदान करती हैं। एल्यूमीनियम की जड़ता और परिवेश के वातावरण में संभालने में आसानी संभावित रूप से महत्वपूर्ण सुरक्षा सुधार प्रदान करती है। इसलिए, एल्यूमीनियम-बैटरियों में आकार में छोटे होने की क्षमता होती है। अल-आयन बैटरियों में अधिक चार्ज-निर्वहन चक्र भी हो सकते हैं। इस प्रकार, एल-आयन बैटरियों में ली-आयन बैटरियों को बदलने की क्षमता होती है। अन्य सभी बैटरियों की तरह, एल्यूमीनियम-आयन बैटरियों में एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा जुड़े दो इलेक्ट्रोड होते हैं। लिथियम-आयन बैटरियों के विपरीत, जहां गतिशील आयन ली + होता है, एल्यूमीनियम अधिकांश इलेक्ट्रोलाइट्स में क्लोराइड के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनाता है और एक आयनिक गतिशील चार्ज वाहक, आमतौर पर एएलसीएल4− या एएलसीएल7− उत्पन्न करता है। एक बैटरी कितनी ऊर्जा या शक्ति छोड़ सकती है, यह बैटरी सेल के वोल्टेज, क्षमता और रासायनिक संरचना सहित कारकों पर निर्भर करता है। एक बैटरी अपने ऊर्जा उत्पादन स्तर को इस प्रकार अधिकतम कर सकती हैः दो इलेक्ट्रोडों के बीच रासायनिक क्षमता अंतर को बढ़ाना अभिकारकों के द्रव्यमान को कम करना इलेक्ट्रोलाइट को रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा संशोधित होने से रोकना इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री एनोड अर्ध प्रतिक्रियाः {Al} + {7AlCl4 ^-} <=> {4Al2Cl7 ^-} + {3e ^-} कैथोड अर्ध प्रतिक्रियाः {2MnO2} + {Li +} + {e ^-} <=> {LiMn2O4} दो अर्ध प्रतिक्रियाओं के संयोजन से निम्नलिखित प्रतिक्रिया प्राप्त होती हैः {Al} + {7AlCl4 ^-} + {6MnO2 + + {3Li जबकि एल्यूमीनियम-आयन बैटरियों के लिए सैद्धांतिक वोल्टेज लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में कम है, क्रमशः 2.65 वी और 4 वी, एल्यूमीनियम-आयन बैटरियों के लिए सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व क्षमता लिथियम-आयन की 406 डब्ल्यूएच/किग्रा सीमा की तुलना में 1060 डब्ल्यूएच/किग्रा है। आज की लिथियम आयन बैटरियों में उच्च शक्ति घनत्व (तेज आवेश/निर्वहन) और उच्च ऊर्जा घनत्व (बहुत अधिक आवेश धारण करने वाला) होता है। वे डेंड्राइट भी विकसित कर सकते हैं जो शॉर्ट-सर्किट कर सकते हैं और आग पकड़ सकते हैं। एल्यूमीनियम अपने 3 इलेक्ट्रॉनों के कारण ऊर्जा को अधिक कुशलता से स्थानांतरित करता है। एल्युमिनियम लिथियम की तुलना में अधिक प्रचुर मात्रा में/कम लागत वाला होता है, जिससे सामग्री की लागत कम हो जाती है। आज तक की चुनौती एल्यूमीनियम-आयन बैटरियों का शेल्फ जीवन अपेक्षाकृत कम है। ऊष्मा, आवेश की दर और साइकिल चलाने का संयोजन ऊर्जा क्षमता को नाटकीय रूप से प्रभावित कर सकता है। इसका एक कारण ग्रेफाइट एनोड का टूटना है। एल परमाणु ली परमाणुओं से बहुत बड़े होते हैं। आयनिक इलेक्ट्रोलाइट्स, जंग को कम करके उपकरणों की सुरक्षा और दीर्घकालिक स्थिरता में सुधार करते हुए, महंगे होते हैं और इसलिए अनुपयुक्त हो सकते हैं। अनुसंधान विभिन्न शोध दल बेहतर बैटरियों के उत्पादन के लिए एल्यूमीनियम के साथ प्रयोग कर रहे हैं। आवश्यकताओं में लागत, स्थायित्व, क्षमता, चार्जिंग गति और सुरक्षा शामिल हैं। एनोड कॉर्नेल विश्वविद्यालय 2021 में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी कोशिका की घोषणा की जिसमें एक 3डी संरचित एनोड का उपयोग किया गया था जिसमें एल्यूमीनियम की परतें सहसंयोजक बंधन के माध्यम से एक आपस में बुने हुए कार्बन फाइबर संरचना पर समान रूप से जमा होती हैं क्योंकि बैटरी चार्ज होती है। मोटे एनोड में तेज गतिविज्ञान होता है, और प्रोटोटाइप विफलता के संकेतों के बिना 10k चक्रों के लिए संचालित होता है। इलेक्ट्रोलाइट ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला 2010 के आसपास, ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला (ओ. आर. एन. एल.) ने एक उच्च ऊर्जा घनत्व उपकरण विकसित और पेटेंट कराया, जिससे 1,060 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम (डब्ल्यू. एच./कि. ग्रा.) का उत्पादन हुआ। ओ. आर. एन. एल. ने विशिष्ट जलीय इलेक्ट्रोलाइट के बजाय एक आयनिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया, जो हाइड्रोजन गैस का उत्पादन कर सकता है और एनोड को खराब कर सकता है। इलेक्ट्रोलाइट अतिरिक्त एल्यूमीनियम ट्राइक्लोराइड के साथ 3-एथिल-1-मिथिलिमिडाज़ोलियम क्लोराइड से बना था। हालांकि, आयनिक इलेक्ट्रोलाइट्स कम प्रवाहकीय होते हैं, जिससे बिजली का घनत्व कम हो जाता है। एनोड/कैथोड पृथक्करण को कम करने से सीमित चालकता की भरपाई हो सकती है, लेकिन गर्मी का कारण बनती है। ओ. आर. एन. एल. ने स्पिनल मैंगनीज ऑक्साइड से बना एक कैथोड तैयार किया जो जंग को और कम करता है। कैथोड कॉर्नेल विश्वविद्यालय 2011 में एक शोध दल ने ओआरएनएल के समान इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया, लेकिन कैथोड के लिए वैनेडियम ऑक्साइड नैनोवायर का उपयोग किया। वैनेडियम ऑक्साइड में अधिक सतह क्षेत्र और कैथोड और एनोड के बीच कम पथ के साथ एक खुली क्रिस्टल संरचना होती है। इस उपकरण ने एक बड़े आउटपुट वोल्टेज का उत्पादन किया। हालाँकि, बैटरी की कुलम्बिक दक्षता कम थी। अप्रैल 2015 में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने लगभग एक मिनट (अनिर्दिष्ट बैटरी क्षमता के लिए) के रिचार्ज समय के साथ एक एल्यूमीनियम-आयन बैटरी विकसित करने का दावा किया। यदि दो कोशिकाओं की एक श्रृंखला में जोड़ा जाता है तो उनकी कोशिका लगभग 2 वोल्ट, 4 वोल्ट प्रदान करती है। प्रोटोटाइप 7,500 से अधिक चार्ज-निर्वहन चक्रों तक चला, जिसमें क्षमता का कोई नुकसान नहीं हुआ। बैटरी एक एल्यूमीनियम एनोड, तरल इलेक्ट्रोलाइट, अलगाव फोम और एक ग्रेफाइट कैथोड से बनी थी। चार्ज करने की प्रक्रिया के दौरान, ए. एल. सी. एल. 4-आयन ग्राफीन की ढेर की गई परतों के बीच परस्पर जुड़ जाते हैं। निर्वहन करते समय, ए. एल. सी. एल. 4-आयन तेजी से ग्रेफाइट के माध्यम से विच्छेदन करते हैं। कोशिका ने उच्च स्थायित्व प्रदर्शित किया, बिना क्षमता क्षय के 10,000 से अधिक चक्रों का सामना किया। कोशिका स्थिर, गैर विषैले, झुकने योग्य और गैर-ज्वलनशील थी। 2016 में, प्रयोगशाला ने एक महंगे इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके एक मोटरबाइक को शक्ति प्रदान करने के लिए ताइवान के औद्योगिक प्रौद्योगिकी अनुसंधान संस्थान (आईटीआरआई) के साथ सहयोग करके इन कोशिकाओं का परीक्षण किया। 2017 में, एक युरिया-आधारित इलेक्ट्रोलाइट का परीक्षण किया गया था जो 2015 मॉडल की लागत का लगभग 1 प्रतिशत था। बैटरी कुलम्बिक दक्षता और 73 एमएएच/जी (1.4 सी) की कैथोड क्षमता पर 100 एमए/जी की दर क्षमता प्रदर्शित करती है। एलियन परियोजना जून 2015 में, एलियन अनुसंधान संस्थान के नेतृत्व में यूरोपीय क्षितिज 2020 परियोजना के रूप में सामग्री और घटक निर्माताओं और बैटरी असेंबलरों के एक संघ द्वारा विकेंद्रीकृत बिजली उत्पादन स्रोतों (एलियन) के लिए उच्च विशिष्ट ऊर्जा एल्यूमीनियम-आयन रिचार्जेबल बैटरियों की परियोजना शुरू की गई थी। परियोजना का उद्देश्य एक प्रोटोटाइप अल-आयन बैटरी विकसित करना है जिसका उपयोग विकेंद्रीकृत स्रोतों से बड़े पैमाने पर भंडारण के लिए किया जा सकता है। इस परियोजना ने 400 डब्ल्यूएच/किग्रा का ऊर्जा घनत्व, 48 वोल्ट का वोल्टेज और 3000 चक्रों का आवेश-निर्वहन जीवन प्राप्त करने का प्रयास किया। 6 से 72 वोल्ट तक के वोल्टेज के साथ बड़ी अल-आयन कोशिकाओं के लिए अनुमति प्राप्त बैटरी पैक की 3डी प्रिंटिंग विकसित की गई। मैरीलैंड विश्वविद्यालय 2016 में, मैरीलैंड विश्वविद्यालय की एक टीम ने एक एल्यूमीनियम/सल्फर बैटरी की सूचना दी जो कैथोड के रूप में एक सल्फर/कार्बन यौगिक का उपयोग करती है। रसायन विज्ञान 1340 डब्ल्यूएच/किग्रा का सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व प्रदान करता है। प्रोटोटाइप कोशिका ने 20 से अधिक चक्रों के लिए 800 डब्ल्यूएच/किलोग्राम के ऊर्जा घनत्व का प्रदर्शन किया। एम. आई. टी. 2022 में, एम. आई. टी. के शोधों ने एक ऐसे डिजाइन की सूचना दी जिसमें एक पिघले हुए क्लोरो-एल्यूमिनेट नमक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किए गए एल्यूमीनियम एनोड और सल्फर कैथोड सहित सस्ते और गैर-ज्वलनशील अवयवों का उपयोग किया गया था। प्रोटोटाइप ने सैकड़ों चार्ज चक्रों का सामना किया, और जल्दी चार्ज हो गया। वे अधिकतम तापमान पर काम कर सकते हैं। ए. टी. पर, बैटरियाँ ए. टी. की तुलना में 25 गुना तेजी से चार्ज होती हैं। इस तापमान को आवेश/निर्वहन चक्र द्वारा बनाए रखा जा सकता है। नमक का पिघलने का बिंदु कम होता है और यह डेंड्राइट बनने से रोकता है। एक संभावित अनुप्रयोग चार्जिंग स्टेशनों पर है, जहां एक पूर्व-चार्ज की गई बैटरी स्टेशन को बिजली लाइन में महंगे उन्नयन के बिना एक साथ अधिक वाहनों को चार्ज करने की अनुमति दे सकती है। शोधकर्ताओं में से एक द्वारा सह-स्थापित स्पिनॉफ कंपनी अवंती इस काम का व्यावसायीकरण करने का प्रयास कर रही है। स्लोवेनिया में चाल्मर्स प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और राष्ट्रीय रसायन विज्ञान संस्थान ने 2019 में शोधकर्ताओं ने एल्यूमीनियम आयन बैटरी में कैथोड के लिए एंथ्राक्विनोन का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। क्वींसलैंड प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय 2019 में क्वींसलैंड प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक जलीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ एल्यूमीनियम आयन बैटरी के लिए कैथोड के रूप में क्रिप्टोमिलेन आधारित इलेक्ट्रोड विकसित किए। क्लेमसन विश्वविद्यालय 2017 में, क्लेमसन नैनोमटेरियल्स इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने टेट्राक्लोरोएल्यूमिनेट () को इंटरकैलेट करने के लिए एक ग्राफीन इलेक्ट्रोड का उपयोग किया। टीम ने एल्यूमीनियम एनोड, प्राचीन या संशोधित कुछ परत वाले ग्राफीन कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एएलसीएल3 नमक के साथ एक आयनिक तरल के साथ बैटरियों का निर्माण किया। उन्होंने दावा किया कि बैटरी 200 डब्ल्यूएच/किलोग्राम के ऊर्जा घनत्व के साथ 10,000 से अधिक चक्रों को संचालित कर सकती है। झेजियांग विश्वविद्यालय दिसंबर 2017 में झेजियांग विश्वविद्यालय की एक टीम ने कैथोड के रूप में ग्राफीन फिल्मों और एनोड के रूप में धातु एल्यूमीनियम का उपयोग करने वाली एक बैटरी की घोषणा की। 3एच3सी (ट्राइहाई ट्राइकांटिनियस) डिजाइन के परिणामस्वरूप उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक गुणों के साथ एक ग्राफीन फिल्म कैथोड बनता है। तरल क्रिस्टल ग्राफीन ने एक अत्यधिक उन्मुख संरचना का निर्माण किया। दबाव में उच्च तापमान एनीलिंग ने एक उच्च गुणवत्ता और उच्च चैनलिंग ग्राफीन संरचना का उत्पादन किया। दावा किए गए गुणः 250k चक्रों के बाद मूल क्षमता का 91.7 प्रतिशत बनाए रखा गया। 1. 1 सेकंड चार्ज समय। तापमान सीमाः-40 से 120 सी. वर्तमान क्षमताः 111 एमएएच/जी, 400 ए/जी झुकने योग्य और गैर-ज्वलनशील। कम ऊर्जा घनत्व वाली रेडॉक्स बैटरी एल्यूमीनियम बैटरी के लिए एक अन्य तरीका चार्ज और निर्वहन के लिए रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं का उपयोग करना है। चार्जिंग प्रक्रिया एल्यूमीनियम ऑक्साइड या एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड को आयनिक एल्यूमीनियम में परिवर्तित करती है, इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके, आमतौर पर एल्यूमीनियम स्मेल्टर पर। इसके लिए तापमान की आवश्यकता होती है। एक रिपोर्ट में लगभग 65 प्रतिशत संभावित दक्षता का अनुमान लगाया गया था। यद्यपि आयनिक एल्यूमीनियम हवा की उपस्थिति में ऑक्सीकरण करता है, लेकिन इसकी लागत ऊर्जा भंडारण क्षमता के 1 प्रतिशत से भी कम है। बैटरी के निर्वहन में एल्यूमीनियम का ऑक्सीकरण शामिल होता है, आमतौर पर 100 डिग्री सेल्सियस से कम तापमान पर पानी के साथ। इससे एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड और आयनिक हाइड्रोजन प्राप्त होता है। उत्तरार्द्ध ईंधन सेल के माध्यम से बिजली का उत्पादन कर सकता है। ईंधन कोशिका में ऑक्सीकरण गर्मी उत्पन्न करता है, जो स्थान या पानी को गर्म करने में सहायता कर सकता है। एक उच्च-तापमान प्रक्रिया औद्योगिक अनुप्रयोगों का समर्थन कर सकती है। यह 200 डिग्री सेल्सियस से अधिक पर काम करता है, एल्यूमीनियम ऑक्साइड, हाइड्रोजन और अतिरिक्त गर्मी उत्पन्न करने के लिए भाप के साथ एल्यूमीनियम की प्रतिक्रिया करता है। आयनिक एल्यूमीनियम को स्मेल्टर वन दृष्टिकोण पर संग्रहीत किया जा सकता है जो बैटरी को स्मेल्टर पर चार्ज करता है, और जहां भी बिजली और गर्मी की आवश्यकता होती है, वहां इसे निर्वहन करता है। वैकल्पिक रूप से, परिवहन की आवश्यकता के बिना, बिजली को स्मेल्टर में ग्रिड में डाला जा सकता है, हालांकि अधिकतम राउंड-ट्रिप दक्षता के लिए, गर्मी का उपयोग स्मेल्टर साइट पर करना होगा। एल्यूमीनियम-वायु बैटरी धातु-वायु बैटरी बैटरी प्रकारों की तुलना बैटरी प्रकारों की सूची ऊर्जा घनत्व संदर्भ बाहरी लिंक रिचार्जेबल एल्यूमीनियम बैटरी के लिए कैथोड सामग्रीः वर्तमान स्थिति और प्रगति धातु-आयन बैटरी एल्यूमीनियम