निकेल मेटल हाइड्राइड बैटरी टेक्नोलॉजी (NiMh बैटरी फुल फॉर्म)
निकेल मेटल हाइड्राइड बैटरी पर अग्रणी कार्य बैटल जिनेवा रिसर्च सेंटर में 1967 में बॉट Ni-Cd और उपग्रहों में प्रयुक्त Ni-H2 कोशिकाओं के व्युत्पन्न के रूप में इसके आविष्कार के बाद शुरू हुआ था। Ni-MH अध्ययनों के लिए मुख्य प्रेरणाएँ Ni-Cd की तुलना में उच्च ऊर्जा, कम दबाव और Ni-MH की लागत से जुड़े पर्यावरणीय लाभ थे। विकास कार्य लगभग 2 दशकों में डेमलर-बेंज कॉम्प द्वारा प्रायोजित किया गया था। स्टटगार्ट और वोक्सवैगन एजी द्वारा ड्यूश ऑटोमोबिलजेससेलशाफ्ट के ढांचे के भीतर। बैटरियों ने 50 Wh/kg, 1000 W/kg तक उच्च ऊर्जा और शक्ति घनत्व और 500 चक्रों का उचित चक्र जीवन दिखाया [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]
हाइब्रिड वाहनों के लिए निकल धातु हाइड्राइड बैटरी प्रौद्योगिकी:
1992 में, डीओई के साथ एक सहकारी समझौते के तहत, यूएसएबीसी ने निकल-मेटल हाइड्राइड बैटरी (नी-एमएच बैटरी) तकनीक के विकास की शुरुआत की।
उस सहकारी समझौते के माध्यम से डीओई फंडिंग दो निर्माताओं, एनर्जी कनवर्ज़न डिवाइसेस, इंक। (ईसीडी ओवोनिक्स) और एसएएफटी अमेरिका में नी-एमएच प्रौद्योगिकी के विकास में सहायक थी। ECD Ovonics की Ni-MH तकनीक अब COBASYS, LLC में निर्मित है, जो शेवरॉन टेक्नोलॉजी वेंचर्स, LLC के साथ इसका 50-50 विनिर्माण संयुक्त उद्यम है। ECD भी Sanyo को अपनी तकनीक का लाइसेंस दे रहा है, जो Ford एस्केप, Cmax, और फ़्यूज़न हाइब्रिड वाहनों के लिए Ni-MH बैटरी की आपूर्ति करती है; होंडा को, उसके हाइब्रिड वाहनों के लिए; और पैनासोनिक को, जो टोयोटा हाइब्रिड वाहनों के लिए बैटरी की आपूर्ति करती है। मूल ईसीडी अनुबंध की शर्तों के तहत, इन लाइसेंसिंग शुल्क का एक छोटा सा अंश डीओई और यूएसएबीसी को प्रेषित कर दिया गया है।
2008 में, निकेल मेटल हाइड्राइड बैटरी बाजार में कुल रिचार्जेबल बैटरी उद्योग का 10% हिस्सा था। नी-एमएच की तीव्र वृद्धि के महत्वपूर्ण कारण एचईवी की वृद्धि और क्षारीय प्राथमिक कोशिकाओं के प्रत्यक्ष प्रतिस्थापन के रूप में नी-एमएच कोशिकाओं का विकास है।
निकल-धातु हाइड्राइड प्रणाली कई मायनों में Ni-Cd कोशिकाओं के समान है। ऑक्सीजन पुनर्संयोजन प्रतिक्रिया में भी, सिस्टम PAM से NAM और भूखे इलेक्ट्रोलाइट डिजाइन में ऑक्सीजन प्रसार के डिजाइन में VRLA कोशिकाओं के समान है।
निकेल मेटल हाइड्राइड बैटरी के फायदे हैं:
कम लागत, बहुमुखी सेल आकार, उत्कृष्ट प्रदर्शन विशेषताओं (उच्च चार्जिंग वर्तमान अवशोषण सहित), परिचालन तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला (-30 से 70ºC), उच्च वोल्टेज पर संचालन की सुरक्षा, (350 + वी), चार्जिंग को नियंत्रित करने की सादगी प्रक्रिया, आदि इसके अलावा, यह पर्यावरण के अनुकूल है (निकेल-कैडमियम कोशिकाओं की तुलना में)।
बेशक, इसके नुकसान भी हैं: लीड-एसिड कोशिकाओं की तुलना में उच्च लागत ली-आयन कोशिकाओं की तुलना में कम ऊर्जा विशिष्टताएं।
निकल धातु हाइड्राइड रिचार्जेबल बैटरी में ऊर्जा उत्पादन विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाएं
नकारात्मक इलेक्ट्रोड को छोड़कर, Ni-Cd और Ni-MH कोशिकाओं के बीच बहुत समानता है। जैसा कि Ni-Cd कोशिकाओं के मामले में, निर्वहन के दौरान, सकारात्मक सक्रिय सामग्री (PAM), निकल ऑक्सी हाइड्रॉक्साइड, निकल हाइड्रॉक्साइड में कम हो जाती है। (इस प्रकार सकारात्मक इलेक्ट्रोड कैथोड के रूप में व्यवहार करता है):
NiOOH + H 2 O + e → Ni(OH) 2 + OH – E o = 0.52 V
नकारात्मक सक्रिय सामग्री (NAM), धातु हाइड्राइड (MH), धातु मिश्र धातु (M) में ऑक्सीकृत हो जाती है। (इस प्रकार ऋणात्मक इलेक्ट्रोड एनोड के रूप में व्यवहार करता है):
एमएच + ओएच – → एम + एच 2 ओ + ई ई ओ = 0.83 वी
यानी हाइड्रोजन का डिसोर्शन डिस्चार्ज के दौरान होता है और हाइड्रोजन एक हाइड्रॉक्सिल आयन के साथ मिलकर पानी बनाता है जबकि सर्किट में एक इलेक्ट्रॉन का योगदान भी करता है।
निर्वहन पर समग्र प्रतिक्रिया है
MH + NiOOH डिस्चार्ज↔चार्ज M + Ni(OH) 2 E o = 1.35 V
कृपया याद रखें कि
सेल वोल्टेज = वी पॉजिटिव – वी नेगेटिव
0.52 – (-0.83) = 1.35 वी
यहाँ यह ध्यान देने योग्य है कि अर्ध कोशिका अभिक्रियाओं में दिखाए गए पानी के अणु समग्र या कुल कोशिका प्रतिक्रिया में प्रकट नहीं होते हैं। यह इलेक्ट्रोलाइट (जलीय पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड समाधान) के ऊर्जा उत्पादन प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेने के कारण है और यह केवल चालकता उद्देश्यों के लिए है।
यह भी ध्यान दें कि लेड एसिड कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किए जाने वाले सल्फ्यूरिक एसिड का जलीय घोल वास्तव में प्रतिक्रिया में भाग ले रहा है जैसा कि नीचे दिखाया गया है:
पीबीओ 2 + पीबी + 2 एच 2 एसओ 4 डिस्चार्ज 2 पीबीएसओ 4 + 2 एच 2 ओ चार्ज करें
यह लेड एसिड कोशिकाओं और क्षारीय कोशिकाओं के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है।
चार्ज के दौरान प्रक्रिया उलट जाती है
सीलबंद निकल-मेटल हाइड्राइड सेल एक ऑक्सीजन-पुनर्संयोजन प्रतिक्रिया का उपयोग करता है जो वाल्व विनियमित लीड एसिड (वीआरएलए) कोशिकाओं में होने वाली प्रतिक्रिया के समान होता है, इस प्रकार दबाव के निर्माण को रोकता है जो गैसों की पीढ़ी से चार्ज के अंत तक हो सकता है और खासकर ओवरचार्ज के दौरान।
चार्ज के दौरान PAM NAM से पहले फुल चार्ज पर पहुंच जाता है और इसलिए पॉजिटिव इलेक्ट्रोड ऑक्सीजन को विकसित करना शुरू कर देता है।
2ओएच – → H2O + ½O 2 + 2e –
ऑक्सीजन गैस विभाजक के छिद्रों के माध्यम से नकारात्मक इलेक्ट्रोड तक फैलती है जो भूखे इलेक्ट्रोलाइट डिजाइन और उपयुक्त विभाजक के उपयोग द्वारा सुगम होती है।
एनएएम पर, ऑक्सीजन धातु हाइड्राइड इलेक्ट्रोड के साथ पानी का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया करता है, इस प्रकार बैटरी के अंदर दबाव निर्माण को रोकता है। फिर भी, विस्तारित अधिभार या चार्जर की खराबी के मामलों में एक सुरक्षा वाल्व होता है; यह संभव है कि ऑक्सीजन, और हाइड्रोजन, पुनर्संयोजन की तुलना में तेज़ी से उत्पन्न होंगे। ऐसे मामलों में, दबाव को कम करने और बैटरी को टूटने से बचाने के लिए सेफ्टी वेंट खुल जाएगा। एक बार दबाव से राहत मिलने के बाद वेंट बंद हो जाता है। पुन: सील करने योग्य वेंट के माध्यम से गैस का निकास इलेक्ट्रोलाइट बूंदों को ले जा सकता है, जो एक बार कैन पर जमा होने पर क्रिस्टल या जंग बन सकता है। (https://data.energy.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)
4MH + O2 → 4M + 2H2O
इसके अलावा, डिजाइन के आधार पर, NAM पूरी तरह से चार्ज नहीं होता है, जो हाइड्रोजन के उत्पादन को रोकता है। यह साइकिल चालन के शुरुआती चरणों के लिए सही है जहां कोशिका के अंदर पाई जाने वाली एकमात्र गैस ऑक्सीजन है। हालांकि, निरंतर साइकिल चलाने पर, हाइड्रोजन गैस विकसित होने लगती है, और आनुपातिक हाइड्रोजन में उल्लेखनीय वृद्धि देखी जाती है। इसलिए गैसों और दबाव के निर्माण को रोकने के लिए पुनर्संयोजन की दर से नीचे ऑक्सीजन की पीढ़ी को सीमित करने के लिए चार्ज के अंत में और ओवरचार्ज के दौरान चार्ज वोल्टेज को नियंत्रित करना बहुत महत्वपूर्ण है।
नी-एमएच कोशिकाओं के डिजाइन में पहले संदर्भित एक डिजाइन कारक एनएएम से पीएएम अनुपात है। यह आधारित है
PAM से अधिक NAM का उपयोग।
अनुपात अनुप्रयोगों पर निर्भर करता है और 1.3 से 2 (एनएएम/पीएएम) की सीमा में है, निम्न मान नियोजित होते हैं जहां उच्च विशिष्ट ऊर्जा महत्वपूर्ण होती है जबकि उच्च मूल्यों का उपयोग उच्च शक्ति और लंबे चक्र जीवन डिजाइन कोशिकाओं में किया जाता है।
निकल धातु हाइड्राइड बैटरी कोशिकाओं का निर्माण
नी-एमएच कोशिकाएं एक सुरक्षा उपकरण के साथ सीलबंद कोशिकाएं होती हैं और धातु के मामलों और शीर्ष के साथ होती हैं, जिनमें से दोनों एक दूसरे से गैस्केट द्वारा इन्सुलेट की जाती हैं। केस बॉटम नेगेटिव टर्मिनल है और टॉप पॉजिटिव टर्मिनल के रूप में कार्य करता है।
सभी डिज़ाइन प्रकारों में, चाहे बेलनाकार हो या प्रिज्मीय या बटन सेल, कैथोड या तो sintered प्रकार या चिपका हुआ प्रकार होता है।
बेलनाकार नी-एमएच सेल में सकारात्मक इलेक्ट्रोड एक झरझरा sintered सब्सट्रेट या फोम-आधारित निकल सब्सट्रेट है, जिस पर निकल यौगिकों को लगाया या चिपकाया जाता है, और इलेक्ट्रो-डिपोजिशन द्वारा सक्रिय सामग्री में परिवर्तित किया जाता है।
सब्सट्रेट sintered संरचना के लिए यांत्रिक समर्थन के रूप में कार्य करता है जो छिद्रपूर्ण प्लेटों में होने वाली विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए वर्तमान कलेक्टर के रूप में कार्य करता है। यह निर्माण प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक शक्ति और निरंतरता भी प्रदान करता है। या तो छिद्रित निकल-प्लेटेड स्टील या निरंतर लंबाई में शुद्ध निकल पट्टी, या निकल या निकल-प्लेटेड स्टील के तार के बुने हुए स्क्रीन का उपयोग किया जाता है। एक सामान्य छिद्रित प्रकार शायद 2 मिमी छेद के साथ 0.1 मिमी मोटा और लगभग 40% का एक शून्य क्षेत्र है। विस्तारित धातु और छिद्रित चादरें कम लागत वाली होती हैं, लेकिन उनमें उच्च दर की क्षमता कम होती है। Sintered संरचनाएं बहुत अधिक महंगी हैं लेकिन उच्च निर्वहन प्रदर्शन के लिए उपयुक्त हैं।
फोम ने आमतौर पर sintered प्लाक इलेक्ट्रोड को बदल दिया है।
इसी तरह, नकारात्मक इलेक्ट्रोड भी एक छिद्रित निकल पन्नी या ग्रिड का उपयोग करते हुए एक अत्यधिक छिद्रपूर्ण संरचना है, जिस पर प्लास्टिक बंधुआ सक्रिय हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातु लेपित है। इलेक्ट्रोड को सिंथेटिक नॉनवॉवन सामग्री से अलग किया जाता है, जो दो इलेक्ट्रोड के बीच एक इन्सुलेटर के रूप में और इलेक्ट्रोलाइट को अवशोषित करने के लिए एक माध्यम के रूप में कार्य करता है।
निकेल मेटल हाइड्राइड बैटरी में सकारात्मक सक्रिय सामग्री (कैथोड सामग्री)
Ni-Cd कोशिकाओं के समान, Ni-MH कोशिकाओं में धनात्मक इलेक्ट्रोड, चाहे बेलनाकार हों या प्रिज्मीय, sintered या चिपकाए गए प्रकार का उपयोग करते हैं। Ni-MH कोशिकाओं में उपयोग के लिए निकल हाइड्रॉक्साइड मूल रूप से Ni-Cd के समान ही होता है। आज का उच्च-प्रदर्शन निकल हाइड्रॉक्साइड क्षमता, उपयोग के गुणांक, बिजली और निर्वहन दर क्षमता, चक्र जीवन, उच्च तापमान चार्जिंग दक्षता और लागत में अधिक उन्नत है।
गोलाकार कणों के साथ उच्च घनत्व निकल हाइड्रॉक्साइड चिपकाए गए सकारात्मक इलेक्ट्रोड में सबसे अधिक नियोजित होता है। /उक्त सामग्री अवक्षेपण कक्षों में तैयार की जाती है जहां निकल सल्फेट (कुछ एडिटिव्स जैसे कोबाल्ट और जिंक लवण के साथ प्रदर्शन पहलुओं को बेहतर बनाने के लिए) सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ मिश्रित अमोनिया के साथ प्रतिक्रिया की जाती है।
अधिक सामान्य चिपकाई गई सकारात्मक प्लेट आमतौर पर उच्च घनत्व वाले गोलाकार निकल हाइड्रॉक्साइड को फोम धातु सब्सट्रेट के छिद्रों में चिपकाने से उत्पन्न होती है, जो बदले में पॉलीयूरेथेन फोम (पीयूएफ) को निकल की एक परत के साथ या तो इलेक्ट्रोप्लेटिंग द्वारा या रासायनिक द्वारा उत्पादित किया जाता है। वाष्प जमाव। इसके बाद बेस पॉलीयूरेथेन को हटाने के लिए गर्मी उपचार प्रक्रिया का पालन किया जाता है। प्रदर्शन विशेषताओं में सुधार के लिए फोम के छिद्र आकार और घनत्व को भी समायोजित किया जा सकता है।
फोम को तब निकेल हाइड्रॉक्साइड के साथ प्रवाहकीय कोबाल्ट ऑक्साइड युक्त पेस्ट में लोड किया जाता है, जो निकल हाइड्रॉक्साइड और मेटल करंट कलेक्टर के बीच एक प्रवाहकीय नेटवर्क बनाता है। जैसे लेड-एसिड सेल में लेड सल्फेट, निकेल हाइड्रॉक्साइड एक खराब कंडक्टर है। अब फोम प्लेट अगले चरण के लिए तैयार है।
दूसरे प्रकार का इलेक्ट्रोड sintered है। इस प्रकार की बिजली क्षमता बेहतर होती है लेकिन कम क्षमता और उच्च लागत की कीमत पर।
सिंटर्ड पॉज़िटिव की शुरुआत फ़िलामेंटरी निकेल को छिद्रित फ़ॉइल जैसे सब्सट्रेट पर चिपकाने से होती है, जहाँ निकेल फ़ाइबर को नाइट्रोजन/हाइड्रोजन का उपयोग करके कम करने वाले वातावरण में उच्च तापमान वाली एनीलिंग भट्टी के नीचे पाप किया जाता है। इस प्रक्रिया में चिपकाने की प्रक्रिया से बाइंडरों को जला दिया जाता है, जिससे निकल का एक प्रवाहकीय कंकाल निकल जाता है।
निकेल हाइड्रॉक्साइड को या तो एक रसायन का उपयोग करके sintered कंकाल के छिद्रों में अवक्षेपित किया जाता है
या विद्युत रासायनिक संसेचन प्रक्रिया। गर्भवती इलेक्ट्रोड तब बनते हैं या पूर्व-सक्रिय होते हैं
इलेक्ट्रोकेमिकल चार्ज / डिस्चार्ज साइकिलिंग प्रक्रिया में। अब पापुलर प्लेट अगले स्टेप के लिए तैयार है।
नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए धातु हाइड्राइड मिश्र धातु (एनोड सामग्री)
नी-एमएच कोशिकाएं हाइड्रोजन-अवशोषित मिश्र धातु के रूप में धातु हाइड्राइड सक्रिय सामग्री का उपयोग करती हैं। मिश्र धातु के लिए कई अलग-अलग रचनाएँ हैं। वे:
- AB5 मिश्र धातु
- AB2 मिश्र धातु
- A2B7 मिश्र धातु
ये अलग-अलग अनुपात में दुर्लभ पृथ्वी धातुओं से बने इंजीनियर मिश्र धातु हैं। इन मिश्र धातुओं के उत्पादन और गुणों का वर्णन करना इस लेख के दायरे से बाहर है। पाठकों से अनुरोध है कि वे इन मिश्र धातुओं पर प्रासंगिक प्रकाशनों और Ni-MH बैटरी पर विशेष पुस्तकों का संदर्भ लें।
नकारात्मक इलेक्ट्रोड फिर से एक छिद्रित निकल पन्नी या ग्रिड का उपयोग करके एक अत्यधिक छिद्रपूर्ण संरचना है जिस पर प्लास्टिक बंधुआ सक्रिय हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातु लेपित और संसाधित होती है।
निकल धातु हाइड्राइड बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट
नी-सीडी कोशिकाओं की तरह, नी-एमएच कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट लगभग 30% पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड का एक जलीय घोल है, जो एक विस्तृत तापमान सीमा पर उच्च चालकता प्रदान करता है। लिथियम हाइड्रॉक्साइड (LiOH) लगभग 17 ग्राम प्रति लीटर (GPL) की सांद्रता पर एक योजक है। यह ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया को दबाकर सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर चार्जिंग दक्षता में सुधार करने में मदद करता है, जो एक प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रिया है जो चार्ज स्वीकृति को कम करती है।
जैसा कि VRLA और Ni-Cd कोशिकाओं के मामले में होता है, Ni-MH कोशिकाएँ भी सीलबंद, भूखे इलेक्ट्रोलाइट डिज़ाइन की होती हैं। प्लेटें लगभग इलेक्ट्रोलाइट से संतृप्त होती हैं। कुशल गैस पुनर्संयोजन प्रतिक्रिया के लिए तेजी से गैस प्रसार की अनुमति देने के लिए विभाजक केवल आंशिक रूप से संतृप्त होता है। NaOH जोड़ने से उच्च-तापमान चार्ज दक्षता में सुधार करने में सहायता मिलती है, लेकिन NAM के ऊंचे क्षरण के परिणामस्वरूप कम जीवन की कीमत पर।
निकल धातु हाइड्राइड में बैटरी विभाजक
विभाजक का कार्य आयनिक परिवहन के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोलाइट को बनाए रखते हुए सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच विद्युत संपर्क को रोकना है। Ni-MH कोशिकाओं के लिए पहली पीढ़ी के विभाजक गैर-बुना पॉलियामाइड (नायलॉन) कपड़ा विभाजक के मानक Ni-Cd और NiH2 विभाजक सामग्री थे। हालांकि, नी-एमएच कोशिकाएं स्व-निर्वहन के प्रति अधिक संवेदनशील साबित हुईं, खासकर जब ऐसे विभाजकों का उपयोग किया गया था। ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस की उपस्थिति के कारण नायलॉन विभाजक में पॉलियामाइड सामग्री विघटित हो जाती है।
इस अपघटन से जंग उत्पादों (नाइट्राइट आयन) ने निकल हाइड्रॉक्साइड के जहर के लिए अनुमति दी, समय से पहले ऑक्सीजन के विकास को बढ़ावा दिया और दो इलेक्ट्रोड के बीच रेडॉक्स शटल में सक्षम यौगिकों का निर्माण किया, जो स्वयं-निर्वहन की दर को और बढ़ाता है। इसलिए आजकल इस प्रकार के विभाजक का उपयोग नहीं किया जाता है। इसके बजाय, नेक्स्टजेन कोशिकाओं में पॉलीओलेफ़िन विभाजक कार्यरत हैं। “स्थायी रूप से वेटेबल पॉलीप्रोपाइलीन” अब व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। बेहतर विभाजक विशेष उपचार के साथ पीपी और पीई का एक संयोजन है। स्व-निर्वहन दर और चक्र जीवन बनावट, गीलापन और गैस पारगम्यता के साथ काफी प्रभावित होते हैं।
