Aluminium-ion battery
ایلومینیم آئن بیٹریاں ریچارج ایبل بیٹری کی ایک کلاس ہیں جس میں ایلومینیم آئن چارج کیریئر کے طور پر کام کرتے ہیں۔ ایلومینیم فی آئن تین الیکٹرانوں کا تبادلہ کر سکتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ ایک Al3 + کا داخل ہونا تین Li + آئنوں کے برابر ہے۔ اس طرح، چونکہ آل 3 + (0.54 Å) اور لی + (0.76 Å) کے آئنک ریڈی ایک جیسے ہیں، اس لیے الیکٹرانوں اور آل 3 + آئنوں کی نمایاں طور پر زیادہ تعداد کو کیتھوڈ کے ذریعے کم نقصان کے ساتھ قبول کیا جا سکتا ہے۔ ایل میں توانائی کی کثافت لی سے 50 گنا زیادہ (23.5 میگاواٹ گھنٹے ایم-3) ہے اور یہ کوئلے سے بھی زیادہ ہے۔ ٹرائولینٹ چارج کیریئر، AL3 + اس بیٹری کا فائدہ اور نقصان دونوں ہے۔ جبکہ ایک آئن کے ذریعے چارج کی 3 اکائیوں کو منتقل کرنے سے توانائی ذخیرہ کرنے کی صلاحیت میں نمایاں اضافہ ہوتا ہے، ایک ٹرائولینٹ کیشن کے ساتھ الیکٹروڈ کا الیکٹروسٹیٹک انٹرکلیشن اچھی طرح سے طے شدہ الیکٹرو کیمیکل رویے کے لیے بہت مضبوط ہوتا ہے۔ ریچارج ایبل ایلومینیم پر مبنی بیٹریاں اعلی صلاحیت کے ساتھ کم لاگت اور کم آتش گیر ہونے کے امکانات پیش کرتی ہیں۔ ایلومینیم کی جمود اور ماحول میں ہینڈلنگ میں آسانی ممکنہ طور پر اہم حفاظتی بہتری پیش کرتی ہے۔ لہذا، ایلومینیم بیٹریاں سائز میں چھوٹی ہونے کی صلاحیت رکھتی ہیں۔ آل آئن بیٹریوں میں زیادہ چارج خارج ہونے والے سائیکل بھی ہو سکتے ہیں۔ اس طرح، آل آئن بیٹریاں لی آئن بیٹریوں کو تبدیل کرنے کی صلاحیت رکھتی ہیں۔ دیگر تمام بیٹریوں کی طرح، ایلومینیم آئن بیٹریوں میں بھی الیکٹرولائٹ کے ذریعے جڑے دو الیکٹروڈ ہوتے ہیں۔ لتیم آئن بیٹریوں کے برعکس، جہاں موبائل آئن Li + ہے، ایلومینیم زیادہ تر الیکٹرولائٹس میں کلورائد کے ساتھ ایک کمپلیکس بناتا ہے اور ایک آئنک موبائل چارج کیریئر پیدا کرتا ہے، عام طور پر AlCl4− یا Al2Cl7−۔ توانائی یا طاقت کی مقدار جو بیٹری چھوڑ سکتی ہے اس کا انحصار بیٹری سیل کے وولٹیج، صلاحیت اور کیمیائی ساخت سمیت عوامل پر ہوتا ہے۔ ایک بیٹری اپنی توانائی کی پیداوار کی سطح کو اس طرح زیادہ سے زیادہ کر سکتی ہے: دو الیکٹروڈ کے درمیان کیمیائی صلاحیت کے فرق کو بڑھانا ری ایکٹینٹس کی کمیت کو کم کرنا الیکٹرولائٹ کو کیمیائی رد عمل سے تبدیل ہونے سے روکنا الیکٹرو کیمسٹری انوڈ نصف رد عمل: {Al} + {7AlCl4 ^-} <=> {4Al2Cl7 ^-} + {3e ^-} کیتھوڈ نصف رد عمل: {2MnO2} + {Li +} + {e ^-} <=> {LiMn2O4} دو نصف رد عمل کو یکجا کرنے سے درج ذیل رد عمل حاصل ہوتا ہے: {Al} + {7AlCl4 ^-} + {6MnO2 + + {3Li اگرچہ ایلومینیم آئن بیٹریوں کے لیے نظریاتی وولٹیج لتیم آئن بیٹریوں سے بالترتیب 2.65 وی اور 4 وی کم ہے، لیکن ایلومینیم آئن بیٹریوں کے لیے نظریاتی توانائی کی کثافت کی صلاحیت لتیم آئن کی 406 ڈبلیو ایچ/کلوگرام کی حد کے مقابلے میں 1060 ڈبلیو ایچ/کلوگرام ہے۔ آج کی لتیم آئن بیٹریوں میں اعلی طاقت کی کثافت (تیز چارج/خارج ہونے والا مادہ) اور اعلی توانائی کی کثافت (بہت زیادہ چارج رکھتی ہے) ہوتی ہے۔ وہ ڈینڈرائیٹ بھی تیار کر سکتے ہیں جو شارٹ سرکٹ کر سکتے ہیں اور آگ پکڑ سکتے ہیں۔ ایلومینیم بھی اپنے 3 الیکٹرانوں کی وجہ سے توانائی کو زیادہ مؤثر طریقے سے منتقل کرتا ہے۔ ایلومینیم زیادہ وافر مقدار میں ہے/لاگت لتیم سے کم ہے، جس سے مادی لاگت کم ہوتی ہے۔ چیلنجز آج تک ایلومینیم آئن بیٹریوں کی شیلف لائف نسبتا کم ہے۔ حرارت، چارج کی شرح، اور سائیکلنگ کا امتزاج توانائی کی صلاحیت کو ڈرامائی طور پر متاثر کر سکتا ہے۔ اس کی ایک وجہ گریفائٹ انوڈ کا فریکچر ہے۔ آل ایٹم لی ایٹموں سے بہت بڑے ہوتے ہیں۔ آئنک الیکٹرولائٹس، جو کٹاؤ کو کم سے کم کرکے آلات کی حفاظت اور طویل مدتی استحکام کو بہتر بناتے ہیں، مہنگے ہوتے ہیں اور اس وجہ سے غیر موزوں ہو سکتے ہیں۔ تحقیق مختلف تحقیقی ٹیمیں بہتر بیٹریاں تیار کرنے کے لیے ایلومینیم کے ساتھ تجربات کر رہی ہیں۔ ضروریات میں لاگت، استحکام، صلاحیت، چارجنگ کی رفتار اور حفاظت شامل ہیں۔ انوڈ کارنیل یونیورسٹی 2021 میں، محققین نے ایک ایسے خلیے کا اعلان کیا جس نے تھری ڈی ساختہ انوڈ کا استعمال کیا جس میں ایلومینیم کی پرتیں بیک وقت جڑی ہوئی کاربن فائبر کی ساخت پر کوولینٹ بانڈنگ کے ذریعے یکساں طور پر جمع ہوتی ہیں جب بیٹری چارج ہوتی ہے۔ موٹے انوڈ میں تیز حرکیات کی خصوصیات ہوتی ہیں، اور پروٹو ٹائپ ناکامی کی علامتوں کے بغیر 10k چکروں کے لیے کام کرتا ہے۔ الیکٹرولائٹ اوک رج نیشنل لیبارٹری 2010 کے آس پاس، اوک رج نیشنل لیبارٹری (او آر این ایل) نے ایک اعلی توانائی کثافت والا آلہ تیار کیا اور اس کا پیٹنٹ کرایا، جس سے 1,060 واٹ گھنٹے فی کلوگرام (ڈبلیو ایچ/کلوگرام) پیدا ہوتا ہے۔ او آر این ایل نے عام آبی الیکٹرولائٹ کے بجائے آئنک الیکٹرولائٹ کا استعمال کیا جو ہائیڈروجن گیس پیدا کر سکتا ہے اور انوڈ کو خراب کر سکتا ہے۔ الیکٹرولائٹ اضافی ایلومینیم ٹرائکلورائڈ کے ساتھ 3-ایتھائل-1-میتھیلیمیڈیزولیم کلورائڈ سے بنایا گیا تھا۔ تاہم، آئنک الیکٹرولائٹس کم کنڈکٹو ہوتے ہیں، جو بجلی کی کثافت کو کم کرتے ہیں۔ انوڈ/کیتھوڈ علیحدگی کو کم کرنا محدود چالکتا کو پورا کر سکتا ہے، لیکن گرمی کا سبب بنتا ہے۔ او آر این ایل نے اسپائنل مینگنیز آکسائیڈ سے بنا ایک کیتھوڈ وضع کیا جس نے کٹاؤ کو مزید کم کیا۔ کیتھوڈ کارنیل یونیورسٹی 2011 میں ایک تحقیقی ٹیم نے او آر این ایل جیسا ہی الیکٹرولائٹ استعمال کیا، لیکن کیتھوڈ کے لیے ونیڈیم آکسائیڈ نانووائر استعمال کیے۔ ونیڈیم آکسائیڈ میں ایک کھلی کرسٹل ساخت ہوتی ہے جس کی سطح کا رقبہ زیادہ ہوتا ہے اور کیتھوڈ اور انوڈ کے درمیان راستہ کم ہوتا ہے۔ اس آلے نے ایک بڑا آؤٹ پٹ وولٹیج پیدا کیا۔ تاہم، بیٹری کی کولومبی کارکردگی کم تھی۔ اسٹینفورڈ یونیورسٹی نے اپریل 2015 میں اسٹینفورڈ یونیورسٹی کے محققین نے تقریبا ایک منٹ کے ریچارج ٹائم (غیر متعین بیٹری کی گنجائش کے لیے) کے ساتھ ایک ایلومینیم آئن بیٹری تیار کرنے کا دعوی کیا تھا۔ ان کا خلیہ تقریبا 2 وولٹ، 4 وولٹ فراہم کرتا ہے اگر دو خلیوں کی سیریز میں منسلک ہو۔ یہ پروٹو ٹائپ 7,500 سے زیادہ چارج-ڈسچارج سائیکلوں تک جاری رہا جس میں صلاحیت کا کوئی نقصان نہیں ہوا۔ بیٹری ایلومینیم انوڈ، مائع الیکٹرولائٹ، آئسولیشن جھاگ، اور گریفائٹ کیتھوڈ سے بنی تھی۔ چارج کرنے کے عمل کے دوران، اے ایل سی ایل 4-آئن گرافین اسٹیکڈ تہوں کے درمیان آپس میں ملتے ہیں۔ خارج کرتے وقت، AlCl4− آئنز تیزی سے گریفائٹ کے ذریعے منقطع ہو جاتے ہیں۔ خلیے نے اعلی استحکام کا مظاہرہ کیا، جس میں صلاحیت میں کمی کے بغیر 10,000 سے زیادہ چکروں کو برداشت کیا گیا۔ خلیہ مستحکم، غیر زہریلا، موڑنے والا اور غیر آتش گیر تھا۔ 2016 میں لیب نے ایک مہنگے الیکٹرولائٹ کا استعمال کرتے ہوئے موٹر بائیک کو طاقت دینے کے لیے تائیوان کے انڈسٹریل ٹیکنالوجی ریسرچ انسٹی ٹیوٹ (آئی ٹی آر آئی) کے ساتھ تعاون کے ذریعے ان خلیوں کا تجربہ کیا۔ 2017 میں، یوریا پر مبنی الیکٹرولائٹ کا تجربہ کیا گیا جو کہ 2015 کے ماڈل کی لاگت کا تقریبا 1 فیصد تھا۔ بیٹری 73 ایم اے ایچ/جی (1.4 سی) کی کیتھوڈ صلاحیت پر ~99.7% کولمبک کارکردگی اور 100 ایم اے/جی کی شرح کی صلاحیت ظاہر کرتی ہے۔ ایلیون پروجیکٹ جون 2015 میں، ہائی سپیسیفیک انرجی ایلومینیم-آئن ریچارج ایبل بیٹریز فار ڈی سینٹرلائزڈ الیکٹرسٹی جنریشن سورس (ایلیون) پروجیکٹ کا آغاز مواد اور اجزاء بنانے والوں اور بیٹری اسمبلرز کے ایک کنسورشیم نے ایل ای آئی ٹی اے ٹی ریسرچ انسٹی ٹیوٹ کی سربراہی میں یورپی ہورائزن 2020 پروجیکٹ کے طور پر کیا تھا۔ منصوبے کا مقصد ایک پروٹو ٹائپ آل آئن بیٹری تیار کرنا ہے جسے وکندریقرت ذرائع سے بڑے پیمانے پر اسٹوریج کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس پروجیکٹ نے 400 ڈبلیو ایچ/کلوگرام کی توانائی کی کثافت، 48 وولٹ کا وولٹیج اور 3000 چکروں کی چارج خارج ہونے والی زندگی حاصل کرنے کی کوشش کی۔ بڑے ال-آئن خلیوں کے لیے اجازت دی گئی بیٹری پیک کی تھری ڈی پرنٹنگ تیار کی گئی، جس میں 6 سے 72 وولٹ تک کے وولٹیج تھے۔ یونیورسٹی آف میری لینڈ 2016 میں، میری لینڈ یونیورسٹی کی ایک ٹیم نے ایک ایلومینیم/سلفر بیٹری کی اطلاع دی جو سلفر/کاربن مرکب کو کیتھوڈ کے طور پر استعمال کرتی ہے۔ کیمسٹری 1340 ڈبلیو ایچ/کلوگرام کی نظریاتی توانائی کی کثافت فراہم کرتی ہے۔ پروٹو ٹائپ سیل نے 20 سے زیادہ چکروں کے لیے 800 ڈبلیو ایچ/کلوگرام کی توانائی کی کثافت کا مظاہرہ کیا۔ ایم آئی ٹی 2022 میں، ایم آئی ٹی کی تحقیقوں نے ایک ایسے ڈیزائن کی اطلاع دی جس میں سستے اور غیر آتش گیر اجزاء کا استعمال کیا گیا تھا، جس میں ایلومینیم انوڈ اور سلفر کیتھوڈ شامل ہیں، جو پگھلے ہوئے کلورو-ایلومینیم نمک الیکٹرولائٹ سے الگ ہوتے ہیں۔ اس پروٹو ٹائپ نے سینکڑوں چارج سائیکلوں کا مقابلہ کیا، اور تیزی سے چارج کیا۔ وہ درجہ حرارت تک کام کر سکتے ہیں۔ بیٹریاں وقت کے مقابلے میں 25 گنا تیزی سے چارج ہوتی ہیں۔ اس درجہ حرارت کو چارج/ڈسچارج سائیکل کے ذریعے برقرار رکھا جا سکتا ہے۔ نمک کا پگھلنے کا نقطہ کم ہوتا ہے اور ڈینڈرائیٹ کی تشکیل کو روکتا ہے۔ ایک ممکنہ ایپلی کیشن چارجنگ اسٹیشنوں پر ہے، جہاں پہلے سے چارج شدہ بیٹری اسٹیشن کو پاور لائن میں مہنگے اپ گریڈ کے بغیر بیک وقت زیادہ گاڑیاں چارج کرنے کی اجازت دے سکتی ہے۔ اسپناف کمپنی اونتی، جس کی مشترکہ بنیاد ایک محقق نے رکھی تھی، اس کام کو تجارتی بنانے کی کوشش کر رہی ہے۔ سلووینیا میں چالمرز یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی اور نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف کیمسٹری نے 2019 میں محققین نے ایلومینیم آئن بیٹری میں کیتھوڈ کے لیے اینتھراکوینون کے استعمال کی تجویز پیش کی۔ کوئینز لینڈ یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی نے 2019 میں کوئینز لینڈ یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی کے محققین نے ایک آبی الیکٹرولائٹ کے ساتھ ایلومینیم آئن بیٹری کے لیے کیتھوڈ کے طور پر کرپٹومیلین پر مبنی الیکٹروڈ تیار کیے۔ کلیمسن یونیورسٹی 2017 میں، کلیمسن نینو میٹریلز انسٹی ٹیوٹ کے محققین نے ٹیٹراکلوروالیومینیٹ () کو آپس میں جوڑنے کے لیے گرافین الیکٹروڈ کا استعمال کیا۔ ٹیم نے ایلومینیم انوڈس، قدیم یا ترمیم شدہ چند پرت والے گرافین کیتھوڈز، اور الیکٹرولائٹ کے طور پر اے ایل سی ایل 3 نمک کے ساتھ ایک آئنک مائع کے ساتھ بیٹریاں بنائیں۔ انہوں نے دعوی کیا کہ بیٹری 200 ڈبلیو ایچ/کلوگرام کی توانائی کی کثافت کے ساتھ 10,000 سے زیادہ سائیکلوں کو چلا سکتی ہے۔ دسمبر 2017 میں جیانگ یونیورسٹی کی ایک ٹیم نے ایک بیٹری کا اعلان کیا جس میں گرافین فلموں کو کیتھوڈ اور دھاتی ایلومینیم کو انوڈ کے طور پر استعمال کیا گیا۔ 3H3C (ٹرائی ہائی ٹرائکونٹینیوس) ڈیزائن کے نتیجے میں بہترین الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کے ساتھ گرافین فلم کیتھوڈ پیدا ہوتا ہے۔ مائع کرسٹل گرافین نے ایک انتہائی مبنی ڈھانچہ تشکیل دیا۔ دباؤ کے تحت اعلی درجہ حرارت اینیلنگ نے ایک اعلی معیار اور اعلی چینلنگ گرافین ڈھانچہ تیار کیا۔ دعوی کردہ خصوصیات: 250k سائیکل کے بعد اصل صلاحیت کا 91.7 فیصد برقرار رکھا۔ 1. 1 سیکنڈ چارج کا وقت۔ درجہ حرارت کی حد:-40 سے 120 سینٹی گریڈ موجودہ صلاحیت: 111 ایم اے ایچ/جی، 400 اے/جی موڑنے کے قابل اور غیر آتش گیر۔ کم توانائی کی کثافت ریڈوکس بیٹری ایلومینیم بیٹری کا ایک اور طریقہ چارج اور خارج کرنے کے لیے ریڈوکس رد عمل کا استعمال کرنا ہے۔ چارجنگ کا عمل عام طور پر ایلومینیم سمیلٹر پر الیکٹرولیسس کا استعمال کرتے ہوئے ایلومینیم آکسائڈ یا ایلومینیم ہائیڈروکسائڈ کو آئنک ایلومینیم میں تبدیل کرتا ہے۔ اس کے لیے درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔ ایک رپورٹ میں ممکنہ کارکردگی کا تخمینہ تقریبا 65 فیصد لگایا گیا ہے۔ اگرچہ آئنک ایلومینیم ہوا کی موجودگی میں آکسائڈائز ہوتا ہے، لیکن اس کی لاگت توانائی ذخیرہ کرنے کی صلاحیت کا 1 فیصد سے بھی کم ہے۔ بیٹری کو خارج کرنے میں ایلومینیم کو آکسائڈائز کرنا شامل ہوتا ہے، عام طور پر 100 ڈگری سیلسیس سے کم درجہ حرارت پر پانی کے ساتھ۔ اس سے ایلومینیم ہائیڈرو آکسائیڈ اور آئنک ہائیڈروجن حاصل ہوتا ہے۔ مؤخر الذکر فیول سیل کے ذریعے بجلی پیدا کر سکتا ہے۔ فیول سیل میں آکسیکرن گرمی پیدا کرتا ہے، جو جگہ یا پانی کو گرم کرنے میں مدد کر سکتا ہے۔ ایک اعلی درجہ حرارت کا عمل صنعتی ایپلی کیشنز کی حمایت کر سکتا ہے۔ یہ 200 ڈگری سیلسیس سے زیادہ پر کام کرتا ہے، ایلومینیم آکسائڈ، ہائیڈروجن اور اضافی حرارت پیدا کرنے کے لیے بھاپ کے ساتھ ایلومینیم کا رد عمل کرتا ہے۔ آئنک ایلومینیم کو اسمیلٹر ون اپروچ پر ذخیرہ کیا جا سکتا ہے جو بیٹری کو اسمیلٹر پر چارج کرتا ہے، اور جہاں بھی بجلی اور حرارت کی ضرورت ہوتی ہے اسے خارج کر دیتا ہے۔ متبادل طور پر، بجلی کو اسمیلٹر پر گرڈ میں ٹرانسپورٹ کی ضرورت کے بغیر کھلایا جا سکتا ہے، حالانکہ زیادہ سے زیادہ راؤنڈ ٹرپ کی کارکردگی کے لیے، گرمی کو اسمیلٹر سائٹ پر استعمال کرنا ہوگا۔ یہ بھی دیکھیں ایلومینیم-ایئر بیٹری میٹل-ایئر _ بیٹری بیٹری کی اقسام کا موازنہ بیٹری کی اقسام کی فہرست توانائی کثافت حوالہ جات بیرونی روابط ریچارج ایبل ایلومینیم بیٹریوں کے لیے کیتھوڈ مواد: موجودہ حیثیت اور ترقی میٹل-آئن بیٹری ایلومینیم