इसलिए, हम इस मूल्य को अपनी बैटरी 500 प्रोजेक्ट के लक्ष्य के लिए निर्धारित करते हैं। यह परियोजना 2009 में शुरू हुई और अल्माडेन रिसर्च सेंटर का प्रभुत्व है। तब से, आईबीएम ने यूरोप, एशिया और संयुक्त राज्य अमेरिका के कई व्यावसायिक भागीदारों और अनुसंधान संस्थानों के साथ यह शोध किया है।
बैटरी 500 प्रोजेक्ट मेटल-एयर तकनीक पर आधारित है। लिथियम बैटरी की तुलना में, धातु-हवा की बैटरी में प्रति यूनिट द्रव्यमान अधिक ऊर्जा होती है। परियोजना अनुसंधान में अभी भी व्यवसायीकरण होने में कई साल लगते हैं। लेकिन इन सात वर्षों के प्रयोगों के माध्यम से, हम सोच सकते हैं कि भविष्य की धातु-हवा की बैटरी वास्तव में इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोगी है।
यह एक धातु-हवा की बैटरी क्यों है?
एक उदाहरण के रूप में लिथियम-एयर बैटरी लेना, इस समस्या को समझने के लिए, आइए पहले लिथियम-आयन बैटरी (अब कॉमन लिथियम बैटरी) और लिथियम-एयर बैटरी के बीच के अंतर को देखें।
नीचे दिया गया आंकड़ा लिथियम आयन बैटरी के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान बैटरी की आंतरिक स्थिति को दर्शाता है। एक पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी में, सकारात्मक इलेक्ट्रोड कार्बन है, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड विभिन्न संक्रमण धातु ऑक्साइड जैसे कोबाल्ट, निकल, मैंगनीज और इस तरह से बना है। दोनों इलेक्ट्रोड एक इलेक्ट्रोलाइट में डूब गए थे जिसमें एक लिथियम नमक भंग कर दिया गया था। चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान, लिथियम आयन एक इलेक्ट्रोड से दूसरे में चले जाते हैं। आंदोलन की दिशा इस बात पर निर्भर करती है कि बैटरी की स्थिति के आधार पर बैटरी को चार्ज किया गया है या डिस्चार्ज किया गया है या नहीं। चार्ज और डिस्चार्ज के समय, लिथियम आयनों को अंततः इलेक्ट्रोड सामग्री की परमाणु परत में एम्बेडेड किया जाता है, और इस प्रकार अंतिम बैटरी की क्षमता इस बात पर निर्भर करती है कि लिथियम आयनों को कितनी समायोजित कर सकता है, अर्थात्, वॉल्यूम और गुणवत्ता द्वारा निर्धारित किया गया है। इलेक्ट्रोड।
△ लिथियम-आयन बैटरी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया
लिथियम-एयर बैटरी अलग-अलग होती हैं। धातु-हवा की बैटरी में, एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, लिथियम युक्त सकारात्मक इलेक्ट्रोड लिथियम आयनों को जारी करता है, और लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ते हैं और लिथियम पेरोक्साइड (ली 2 ओ 2) बनाने के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।लिथियम आयन, इलेक्ट्रॉन और ऑक्सीजन झरझरा कार्बन द्वारा गठित नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रतिक्रिया करते हैं, क्योंकि रासायनिक प्रतिक्रिया नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर नहीं होती है, और लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री नहीं है। इसलिए, बैटरी की क्षमता और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की मात्रा या द्रव्यमान बहुत अधिक नहीं है। बड़ा संबंध, जब तक पर्याप्त सतह क्षेत्र है।
यह कहना है, लिथियम-एयर बैटरी की क्षमता इलेक्ट्रोड की मात्रा और गुणवत्ता से निर्धारित नहीं होती है, लेकिन इलेक्ट्रोड की सतह क्षेत्र। यही कारण है कि एक लिथियम-एयर बैटरी में, एक छोटा-मास इलेक्ट्रोड भी बड़ी मात्रा में ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा घनत्व होता है।
△ लिथियम-एयर बैटरी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया
बेशक, ऊर्जा घनत्व के अलावा, लागत भी एक महत्वपूर्ण विचार है। बैटरी की कीमत वर्तमान में 200-300 अमेरिकी डॉलर / kWh की सीमा में है, यदि आप 5-6 किमी प्रति किलोवाट, 800 किमी की आवश्यकता होती है, तो आपको 150 kWh बैटरी की आवश्यकता होती है, आपको 30,000-4.5 मिलियन की आवश्यकता होती है। एक बीएमडब्ल्यू 2 सीरीज़ कार को केवल $ 33,000 की आवश्यकता है। इसलिए, यदि आप बड़े पैमाने पर उत्पादन करना चाहते हैं, तो प्रति kWh मूल्य $ 100 से नीचे गिरना होगा।लिथियम-एयर बैटरी व्यावसायीकरण के लिए मुझे किन समस्याओं को हल करना चाहिए?
जब लिथियम और ऑक्सीजन को केवल एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया के अधीन किया जाता है, तो सैद्धांतिक अधिकतम ऊर्जा घनत्व जो उत्पादित किया जा सकता है वह 3,460 WH/किग्रा है। सेल के उस हिस्से के अलावा जो एक रासायनिक प्रतिक्रिया से गुजरता नहीं है, ऊर्जा घनत्व का मूल्य जो अंततः प्राप्त किया जा सकता है, वह भी बहुत वांछनीय है। बेशक, आप भी समस्याओं का सामना करेंगे।
लिथियम-एयर बैटरी की चार्जिंग प्रक्रिया एक पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी के समान है, जब तक कि यह बाहरी रूप से दबाव डाला जाता है। अंतर यह है कि एक लिथियम-एयर बैटरी में, जब एक बाहरी वोल्टेज होता है, तो लिथियम पेरोक्साइड की संरचना नष्ट हो जाती है, और इसे ऑक्सीजन और लिथियम आयनों तक कम कर दिया जाता है, और लिथियम आयनों को सकारात्मक इलेक्ट्रोड में वापस कर दिया जाता है। लिथियम-एयर बैटरी, पारंपरिक लिथियम बैटरी की तरह, अधिक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र होते हैं और बैटरी के अंदर अधिक दुष्प्रभाव होते हैं। ये दुष्प्रभाव उनके बड़े पैमाने पर उत्पादन और यहां तक कि व्यावसायीकरण के लिए मौलिक हैं।
बैटरी पर इन दुष्प्रभावों के प्रभावों को समझने के लिए, हमने अनुसंधान केंद्र में इलेक्ट्रोकेमिकल मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग प्रत्येक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र के दौरान खपत और उत्पादित गैस की मात्रा को सटीक रूप से मापने के लिए किया। नतीजतन, एक समस्या की खोज की गई है: लिथियम-एयर बैटरी डिस्चार्ज के दौरान सेवन किए गए ऑक्सीजन की तुलना में चार्जिंग के दौरान बहुत कम ऑक्सीजन का उत्सर्जन करती है। (परीक्षण में, हवा के बजाय सूखी ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है।)
△ IBM रिसर्च सेंटर के इलेक्ट्रोकेमिकल मास स्पेक्ट्रोमीटर (: IBM)
एक आदर्श बैटरी सेल में, डिस्चार्ज के दौरान उपभोग की गई ऑक्सीजन चार्जिंग के दौरान जारी ऑक्सीजन के द्रव्यमान के बराबर होती है। लेकिन अध्ययन में पाया गया कि जारी ऑक्सीजन की मात्रा कम है, जिसका अर्थ है कि जो ऑक्सीजन जारी नहीं है, वह बैटरी यूनिट में घटकों के साथ प्रतिक्रिया करने की संभावना है, जैसे कि इलेक्ट्रोलाइट में पिघलना, बैटरी अंदर है। उपभोग।ज्यूरिख में एक अन्य आईबीएम प्रयोगशाला में, हमने इस आत्म-विनाशकारी रासायनिक प्रतिक्रिया को ट्रैक और कम्प्यूटरीकृत करने के लिए नए प्रयोग किए। अंत में, कारण कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट पर पाया गया। तब हमने इस समस्या का अध्ययन किया। नवीनतम बैटरी इकाई में, एक नए इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने के बाद, यह डिस्चार्ज के दौरान अवशोषित अधिकांश ऑक्सीजन को छोड़ सकता है। इसके अलावा, हम चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान हाइड्रोजन और पानी की खपत और उत्पादन को भी ट्रैक करते हैं, क्योंकि इन दो पदार्थों की उपस्थिति का मतलब है कि बैटरी के अंदर कम से कम एक आत्म-उपभोग रासायनिक प्रतिक्रिया होने की संभावना है। हमारी वर्तमान बैटरी इकाई 200 चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों को प्राप्त करने में सक्षम है, हालांकि यह वास्तविक चार्जिंग प्रक्रिया को सैद्धांतिक अधिकतम से कम करना है।
इस समस्या के अलावा, हमारे पास लिथियम-एयर बैटरी के विभिन्न घटकों के बारे में कुछ महत्वपूर्ण निष्कर्ष हैं:
1. सकारात्मक इलेक्ट्रोड पारंपरिक लिथियम आयन बैटरी में ग्रेफाइट से बने सकारात्मक इलेक्ट्रोड से अलग है। लिथियम-एयर बैटरी में, लिथियम युक्त सकारात्मक इलेक्ट्रोड चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान कुछ सतह को बदल देगा, और कुछ काई जैसी या पेड़ जैसी संरचना बढ़ती है। यह एक डेंड्राइट है। ये डेंड्राइट्स बहुत खतरनाक हैं क्योंकि वे शॉर्ट सर्किट बनाने के लिए सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच एक प्रवाहकीय लूप बना सकते हैं।
△ लिथियम-एयर बैटरी पॉजिटिव इलेक्ट्रोड, कई दसियों चक्रों के बाद, सतह डेंड्राइटिक संरचना का उत्पादन करती है
डेंड्राइट्स की घटना को कम करने के लिए, हमने एक विशेष अलगाव झिल्ली का उपयोग किया। इस विभाजक में कई नैनोस्केल छिद्रों से युक्त सामग्री की एक परत होती है जो कि काफी छोटे होते हैं और समान रूप से झिल्ली के पार वितरित होते हैं ताकि लिथियम आयनों के पारित होने और डेंड्राइटिक उत्पादन को दबाने की अनुमति मिल सके। इस विभाजक की उपस्थिति के कारण, कई सौ चार्ज चक्रों के बाद एनोड चिकना रहता है। यदि एक पारंपरिक विभाजक का उपयोग किया जाता है, तो कई चक्रों के बाद डेंड्राइट्स होंगे। यदि आप प्रवाहकीय आयनों के साथ एक ग्लास बहुलक का उपयोग करते हैं, तो प्रभाव बेहतर होगा।
△ लिथियम-एयर बैटरी पॉजिटिव इलेक्ट्रोड, नैनो-आइसोलेशन फिल्म का उपयोग करने के बाद, सतह चिकनी बनी रहती है
2. इलेक्ट्रोलाइट वर्तमान में इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग अभी भी चार्ज और डिस्चार्ज चक्र में उत्पादित ऑक्सीजन या अन्य यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया करता है और इस प्रकार इसका सेवन किया जाता है। अब तक, हमें कोई भी विलायक नहीं मिला है जो कि लिथियम-एयर बैटरी को वाणिज्यिक चरण में प्रवेश करने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त स्थिर है।3. चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, लिथियम आयन लिथियम नाइट्रेट का उत्पादन करने के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। लिथियम नाइट्रेट भी इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करता है, इलेक्ट्रोलाइट का सेवन करता है और कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करता है। परीक्षण में, हमने उत्पादित लिथियम नाइट्रेट की मात्रा को भी ट्रैक किया और इसके उत्पादन को कम करने के लिए कुछ उपाय किए। हालाँकि, क्योंकि आवश्यक चार्जिंग वोल्टेज कम से कम 700MV द्वारा बैटरी के ऑपरेटिंग वोल्टेज से अधिक होना चाहिए। ओवरवॉल्टेज बैटरी की चार्जिंग दक्षता को कम करेगा। हमने कार्बन को कुछ अन्य धातु ऑक्साइड में बदलने की कोशिश की है, और परिणाम बहुत अधिक नहीं बदले हैं।
4. धातु-हवा की बैटरी में उत्प्रेरक का उपयोग करने या न करने के बारे में उत्प्रेरक, पेशेवरों और विरोधियों के बीच कई बहस हुई हैं। एक उत्प्रेरक का उपयोग ओवरप्रेस की स्थिति की घटना को काफी कम कर सकता है, लेकिन एक ही उत्प्रेरक आम तौर पर इलेक्ट्रोलाइट की खपत को भी तेज करेगा। हमारे सैद्धांतिक अध्ययनों में, सक्रियण ऊर्जा लिथियम के ऑक्सीकरण और कमी में बहुत कम है। इसलिए, लिथियम-एयर बैटरी में, उत्प्रेरक आवश्यक नहीं है।
5. हवा की तैयारी हालांकि बैटरी को लिथियम एयर बैटरी कहा जाता है, वास्तव में हम सूखी ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं। जोर "सुखाने" पर रखा जाता है क्योंकि यह केवल हवा में जल वाष्प और कार्बन डाइऑक्साइड के घटकों को हटाने के लिए आवश्यक है। वाणिज्यिक बैटरी में इस तरह की हवा का उत्पादन करने के लिए, एक हल्का, कुशल और स्थिर वायु शोधन प्रणाली की आवश्यकता होती है। इस दृष्टिकोण से, लिथियम-एयर बैटरी का व्यावहारिक अनुप्रयोग बसों, ट्रकों और अन्य बड़े वाहनों में हो सकता है। केवल ये बड़े वाहन ही वायु शोधन उपकरणों को समायोजित कर सकते हैं।
वर्तमान में परीक्षण के लिए उपयोग की जाने वाली बैटरी इकाई अभी भी आकार में छोटी है, 76 मिमी व्यास और 13 मिमी लंबाई में है, जो इलेक्ट्रिक वाहनों के मानक के लिए पर्याप्त है। तो सबसे महत्वपूर्ण कार्यों में से एक जो करने की आवश्यकता है, वह यह है कि बड़ी बैटरी कोशिकाओं को कैसे बनाया जाए, पैकेज किया जाए और कई बैटरी कोशिकाओं को एक बैटरी पैक में पैक किया जाए, और फिर एक बैटरी प्रबंधन प्रणाली है। हम कुछ अलग -अलग आकारों का भी परीक्षण कर रहे हैं, जैसे कि 100 x 100 मिमी (100 मिमी व्यास, 100 मिमी लंबाई)।
वर्तमान में, यह परियोजना अभी भी सामग्री और रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर प्रारंभिक बुनियादी विज्ञान चरण में है, लेकिन प्राप्त परिणाम सकारात्मक हैं। हमारे अध्ययन में, अब जो ऊर्जा घनत्व प्राप्त किया जा सकता है, वह है 15 kWh/किग्रा (कच्चे कार्बन कैथोड, 5700 mah x 2.7 v/g का उपयोग करके) की लिथियम ऑक्सीडोरक्टिव प्रतिक्रिया, और सेल में ऊर्जा घनत्व लगभग 800 WH/किग्रा है ।
सोडियम-एयर बैटरी: कम ऊर्जा घनत्व, लेकिन स्थिर धातु-हवा की बैटरी में, कई धातुएं हैं जिनका उपयोग किया जा सकता है, लिथियम, सोडियम और पोटेशियम के अलावा। इन धातुओं की रिवर्स प्रतिक्रिया आसान है, और अपेक्षाकृत भारी धातुएं जैसे कि मैग्नीशियम, एल्यूमीनियम, जस्ता, लोहे, आदि को रिचार्ज करना मुश्किल साबित हुआ है, इसलिए बैटरी 500 परियोजना ने लिथियम और सोडियम दोनों का अध्ययन करने के लिए चुना। धातु।
सोडियम-एयर बैटरी एक और दिलचस्प संयोजन है, हालांकि लिथियम-एयर बैटरी की तुलना में ऊर्जा घनत्व जो हासिल किया जा सकता है, लेकिन इसके लाभ अधिक स्थिर हैं।
ऊर्जा घनत्व कम होने का कारण यह है कि उत्पन्न रासायनिक प्रतिक्रिया अलग है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, लिथियम-एयर बैटरी में, लिथियम लिथियम पेरोक्साइड (Li2O2) का उत्पादन करने के लिए ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, लेकिन सोडियम-एयर बैटरी में, सोडियम केवल एक इलेक्ट्रॉन का उपयोग करके ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसके परिणामस्वरूप सोडियम सुपरऑक्साइड NAO2 होता है। सोडियम पेरोक्साइड के बजाय, Na2O2। इसकी तुलना में, ऊर्जा घनत्व जो एक सोडियम-एयर बैटरी का उत्पादन कर सकती है, सैद्धांतिक रूप से आधे से कम हो जाती है, और ऊर्जा घनत्व की सैद्धांतिक ऊपरी सीमा 1100 Wh/किग्रा है।
दूसरी ओर, सोडियम-एयर बैटरी लिथियम-एयर बैटरी की तुलना में अधिक कुशल होती है, और ओवरवॉल्टेज काफी कम है, 20MV (लिथियम के लिए 700MV) से कम है। इसके मद्देनजर, बैटरी यूनिट के ऑपरेटिंग वोल्टेज को 3V तक कम किया जा सकता है, ताकि बैटरी के अंदर अन्य घटकों की आत्म-खपत को बहुत कम किया जा सके, जैसे कि इलेक्ट्रोलाइट। हमने इसे प्रयोग द्वारा मापा और इसे सत्यापित किया। इससे यह फायदा है कि बैटरी की स्थिरता काफी अधिक है, और बैटरी की क्षमता 50 चार्ज और डिस्चार्ज साइकिल के बाद शायद ही बदलती है।
सोडियम-एयर बैटरी के व्यावसायिक उपयोग में कुछ चुनौतियां भी हैं। उदाहरण के लिए, एक सोडियम-एयर बैटरी एक प्रतिक्रिया के जवाब में लिथियम-एयर बैटरी के रूप में दोगुना ऑक्सीजन की खपत करती है, एक ही शक्ति के पिस्टन इंजन का उत्पादन करने के लिए आवश्यक हवा की मात्रा के बराबर। इसके अलावा, सोडियम धातु की रासायनिक गतिविधि काफी अधिक है, और कई लोग हाई स्कूल कक्षा में रसायन विज्ञान शिक्षक द्वारा किए गए प्रदर्शन को याद करेंगे। सोडियम का एक छोटा सा टुकड़ा पानी में फेंक दिया जाता है, और एक हिंसक रासायनिक प्रतिक्रिया होगी।
हालांकि, लिथियम एक दुर्लभ धातु है और यह सस्ता नहीं है। लेकिन सोडियम एक सामान्य धातु है और लागत बहुत कम है। एक ही आकार के सोडियम-एयर बैटरी में सामग्री की लागत लिथियम-एयर बैटरी में उस दसवें से कम है। हालांकि लंबे समय में, लिथियम-एयर बैटरी में बेहतर प्रदर्शन होगा, लेकिन स्थिरता और लागत को देखते हुए, सोडियम-एयर बैटरी जो कि कम नहीं है, क्योंकि ऊर्जा वर्तमान बैटरी से भविष्य के लिए एक बेहतर विकल्प होगी।
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