نکل میٹل ہائیڈرائڈ بیٹری ٹیکنالوجی (NiMh بیٹری مکمل شکل)
Nickel Metal Hydride بیٹری پر اہم کام 1967 میں اس کی ایجاد کے بعد Battelle Geneva ریسرچ سینٹر میں کیا گیا تھا جو سیٹلائٹ میں استعمال ہونے والے bot Ni-Cd اور The Ni-H2 خلیات سے مشتق تھا۔ Ni-MH اسٹڈیز کے اہم محرکات Ni-Cd کے مقابلے میں زیادہ توانائی، کم دباؤ، اور Ni-MH کی لاگت سے منسلک ماحولیاتی فوائد تھے: ڈیملر بینز کمپ کے ذریعے تقریباً 2 دہائیوں میں ترقیاتی کام اسپانسر کیے گئے تھے۔ Stuttgart اور Volkswagen AG کے ذریعے Deutsche Automobilgesellschaft کے فریم ورک کے اندر۔ بیٹریاں 50 Wh/kg، 1000 W/kg اور 500 سائیکلوں کی مناسب سائیکل لائف تک اعلی توانائی اور طاقت کی کثافت ظاہر کرتی ہیں۔ [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]
ہائبرڈ گاڑیوں کے لیے نکل میٹل ہائیڈرائیڈ بیٹری ٹیکنالوجی:
1992 میں، DOE کے ساتھ تعاون پر مبنی معاہدے کے تحت، USABC نے نکل میٹل ہائیڈرائیڈ بیٹری (Ni-MH بیٹری) ٹیکنالوجی کی ترقی کا آغاز کیا۔
اس کوآپریٹو معاہدے کے ذریعے DOE کی فنڈنگ دو مینوفیکچررز، Energy Conversion Devices, Inc. (ECD Ovonics) اور SAFT America میں Ni-MH ٹیکنالوجی کی ترقی کے لیے اہم تھی۔ ECD Ovonics کی Ni-MH ٹیکنالوجی اب COBASYS, LLC میں تیار کی گئی ہے، جو اس کا 50-50 مینوفیکچرنگ مشترکہ منصوبہ Chevron Technology Ventures, LLC کے ساتھ ہے۔ ECD اپنی ٹیکنالوجی Sanyo کو بھی دے رہا ہے، جو فورڈ Escape، Cmax، اور فیوژن ہائبرڈ گاڑیوں کے لیے Ni-MH بیٹریاں فراہم کرتی ہے۔ ہونڈا کو، اس کی ہائبرڈ گاڑیوں کے لیے؛ اور پیناسونک کو، جو ٹویوٹا ہائبرڈ گاڑیوں کے لیے بیٹریاں فراہم کرتا ہے۔ اصل ECD معاہدے کی شرائط کے تحت، ان لائسنسنگ فیسوں کا ایک چھوٹا سا حصہ DOE اور USABC کو بھیج دیا گیا ہے۔
2008 میں، نکل میٹل ہائیڈرائیڈ بیٹری مارکیٹ کا کل ریچارج ایبل بیٹری انڈسٹری کا 10% حصہ تھا۔ Ni-MH کی تیز رفتار نشوونما کی اہم وجوہات میں HEVs کی نشوونما اور Ni-MH خلیات کا الکلین پرائمری خلیات کے براہ راست متبادل کے طور پر ترقی ہے۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ سسٹم بہت سے طریقوں سے Ni-Cd سیلز سے ملتا جلتا ہے۔ آکسیجن کی بحالی کے رد عمل میں بھی، نظام PAM سے NAM تک آکسیجن کے پھیلاؤ کے ڈیزائن میں VRLA خلیوں کی طرح ہے اور بھوک لگی ہوئی الیکٹرولائٹ ڈیزائن۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ بیٹری کے فوائد یہ ہیں:
کم قیمت، ورسٹائل سیل سائز، بہترین کارکردگی کی خصوصیات (بشمول اعلی چارجنگ کرنٹ جذب)، آپریشنل درجہ حرارت کی ایک وسیع رینج (-30 سے 70ºC)، زیادہ وولٹیج پر آپریشن کی حفاظت، (350+V)، چارجنگ کو کنٹرول کرنے کی سادگی عمل، وغیرہ اس کے علاوہ، یہ ماحول دوست ہے (نکل-کیڈیمیم خلیوں کے مقابلے میں)۔
بلاشبہ، اس کے نقصانات بھی ہیں: لیڈ ایسڈ سیلز کے مقابلے میں زیادہ قیمت جب لی-آئن سیلز کے مقابلے میں توانائی کی خصوصیات کم ہوتی ہے۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ ریچارج ایبل بیٹریوں میں توانائی پیدا کرنے والا الیکٹرو کیمیکل رد عمل
نی-سی ڈی اور نی-ایم ایچ سیلز کے درمیان بہت زیادہ مماثلت ہے، سوائے منفی الیکٹروڈ کے۔ جیسا کہ Ni-Cd خلیات کے معاملے میں، خارج ہونے کے دوران، مثبت فعال مواد (PAM)، نکل آکسی ہائیڈرو آکسائیڈ، نکل ہائیڈرو آکسائیڈ میں کم ہو جاتا ہے۔ (اس طرح مثبت الیکٹروڈ کیتھوڈ کی طرح برتاؤ کرتا ہے):
NiOOH + H 2 O + e → Ni(OH) 2 + OH – E o = 0.52 V
منفی فعال مواد (NAM)، دھاتی ہائیڈرائڈ (MH)، دھاتی مرکب (M) میں آکسائڈائز کیا جاتا ہے. (اس طرح منفی الیکٹروڈ انوڈ کے طور پر برتاؤ کرتا ہے):
MH + OH – → M + H 2 O + e E o = 0.83 V
یعنی ہائیڈروجن کا اخراج خارج ہونے کے دوران ہوتا ہے اور ہائیڈروجن ایک ہائیڈروکسیل آئن کے ساتھ مل کر پانی بناتا ہے جبکہ سرکٹ میں الیکٹران کا بھی حصہ ڈالتا ہے۔
خارج ہونے والے مادہ پر مجموعی ردعمل ہے
MH + NiOOH ڈسچارج↔چارج M + Ni(OH) 2 E o = 1.35 V
براہ مہربانی یاد رکھیں کہ
سیل وولٹیج = V مثبت – V منفی
0.52 – (-0.83) = 1.35 وی
یہاں یہ بات قابل ذکر ہے کہ آدھے خلیے کے رد عمل میں دکھائے گئے پانی کے مالیکیول مجموعی یا کل خلیے کے رد عمل میں ظاہر نہیں ہوتے۔ یہ الیکٹرولائٹ (پانی پوٹاشیم ہائیڈرو آکسائیڈ محلول) کی وجہ سے ہے جو توانائی پیدا کرنے والے رد عمل میں حصہ نہیں لے رہا ہے اور یہ صرف چالکتا کے مقاصد کے لیے ہے۔
یہ بھی نوٹ کریں کہ لیڈ ایسڈ سیلز میں الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال ہونے والے سلفیورک ایسڈ کا آبی محلول دراصل رد عمل میں حصہ لے رہا ہے جیسا کہ ذیل میں دکھایا گیا ہے:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ڈسچارج↔charge 2PbSO 4 + 2H 2 O
یہ لیڈ ایسڈ سیلز اور الکلین سیلز کے درمیان ایک اہم فرق ہے۔
چارج کے دوران عمل الٹ جاتا ہے۔
سیل شدہ نکل میٹل ہائیڈرائڈ سیل ایک آکسیجن کی بحالی کے رد عمل کا استعمال کرتا ہے جیسا کہ والو ریگولیٹڈ لیڈ ایسڈ (VRLA) خلیوں میں ہوتا ہے، اس طرح دباؤ کی تعمیر کو روکتا ہے جو چارج کے اختتام کی طرف گیسوں کی تخلیق کے نتیجے میں ہو سکتا ہے۔ خاص طور پر زیادہ چارج کے دوران.
چارج کے دوران PAM NAM سے پہلے مکمل چارج تک پہنچ جاتا ہے اور اس طرح مثبت الیکٹروڈ آکسیجن تیار کرنا شروع کر دیتا ہے۔
2OH – → H2O + ½O 2 + 2e –
آکسیجن گیس الگ کرنے والے کے چھیدوں کے ذریعے منفی الیکٹروڈ تک پھیل جاتی ہے جسے بھوکے الیکٹرولائٹ ڈیزائن اور مناسب جداکار کے استعمال سے سہولت فراہم کی جاتی ہے۔
NAM میں، آکسیجن پانی پیدا کرنے کے لیے دھاتی ہائیڈرائیڈ الیکٹروڈ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہے، اس طرح بیٹری کے اندر دباؤ بڑھنے سے روکتا ہے۔ اس کے باوجود، اضافی چارج یا چارجر کی خرابی کی صورتوں میں حفاظتی والو موجود ہے؛ یہ ممکن ہے کہ آکسیجن، اور ہائیڈروجن، اس سے زیادہ تیزی سے پیدا ہوں گے جتنا اسے دوبارہ ملایا جا سکتا ہے۔ ایسی صورتوں میں، سیفٹی وینٹ دباؤ کو کم کرنے اور بیٹری کو پھٹنے سے روکنے کے لیے کھل جائے گا۔ دباؤ کم ہونے کے بعد وینٹ دوبارہ کھل جاتا ہے۔ دوبارہ سیل کیے جانے والے وینٹ کے ذریعے گیس کا اخراج الیکٹرولائٹ بوندوں کو لے جا سکتا ہے، جو کین پر جمع ہونے کے بعد کرسٹل یا زنگ بن سکتے ہیں۔ (https://data.energizer.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)
4MH + O2 → 4M + 2H2O
مزید یہ کہ، ڈیزائن کی وجہ سے، NAM مکمل طور پر چارج نہیں ہوتا، جو ہائیڈروجن کی پیداوار کو روکتا ہے۔ یہ سائیکلنگ کے ابتدائی مراحل کے لیے درست ہے جہاں سیل کے اندر موجود واحد گیس آکسیجن ہے۔ تاہم، مسلسل سائیکلنگ پر، ہائیڈروجن گیس تیار ہونا شروع ہو جاتی ہے، اور اس کے اندر متناسب ہائیڈروجن میں نمایاں اضافہ دیکھا جاتا ہے۔ اس لیے چارج کے اختتام پر اور زیادہ چارج کے دوران چارج وولٹیج کو کنٹرول کرنا بہت ضروری ہے تاکہ آکسیجن کی پیداوار کو دوبارہ ملاپ کی شرح سے نیچے تک محدود رکھا جائے تاکہ گیسوں اور دباؤ کی تعمیر کو روکا جا سکے۔
Ni-MH خلیات کے ڈیزائن میں پہلے ذکر کردہ ایک ڈیزائن عنصر NAM سے PAM تناسب ہے۔ پر مبنی ہے۔
PAM سے زیادہ NAM کا استعمال۔
تناسب ایپلی کیشنز پر منحصر ہے اور 1.3 سے 2 (NAM/PAM) کی رینج میں ہے، نچلی اقدار کو استعمال کیا جاتا ہے جہاں اعلی مخصوص توانائی اہم ہوتی ہے جبکہ اعلی اقدار کو ہائی پاور اور طویل سائیکل لائف ڈیزائن سیلز میں استعمال کیا جاتا ہے۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ بیٹری سیلز کی تعمیر
Ni-MH خلیے ایک حفاظتی آلے کے ساتھ اور دھاتی کیسز اور ٹاپس کے ساتھ سیل بند سیل ہوتے ہیں، یہ دونوں ایک گیسکٹ کے ذریعے ایک دوسرے سے موصل ہوتے ہیں۔ کیس نیچے منفی ٹرمینل ہے اور سب سے اوپر مثبت ٹرمینل کے طور پر کام کرتا ہے۔
ڈیزائن کی تمام اقسام میں، چاہے بیلناکار ہو یا پرزمیٹک یا بٹن سیل، کیتھوڈ یا تو sintered قسم یا پیسٹ شدہ قسم کا ہوتا ہے۔
بیلناکار Ni-MH سیل میں مثبت الیکٹروڈ ایک غیر محفوظ سینٹرڈ سبسٹریٹ یا فوم پر مبنی نکل سبسٹریٹ ہے جس پر نکل مرکبات کو رنگدار یا چسپاں کیا جاتا ہے، اور الیکٹرو جمع کے ذریعہ فعال مواد میں تبدیل کیا جاتا ہے۔
سبسٹریٹ sintered ڈھانچے کے لیے مکینیکل سپورٹ کے طور پر کام کرتا ہے جو الیکٹرو کیمیکل ری ایکشنز کے لیے کرنٹ کلیکٹر کے طور پر کام کرتا ہے جو غیر محفوظ پلیٹوں میں ہوتا ہے۔ یہ مینوفیکچرنگ کے عمل کے دوران مکینیکل طاقت اور تسلسل بھی فراہم کرتا ہے۔ یا تو سوراخ شدہ نکل چڑھایا سٹیل یا مسلسل لمبائی میں خالص نکل کی پٹی، یا نکل یا نکل چڑھایا سٹیل کے تار کے بنے ہوئے پردے استعمال کیے جاتے ہیں۔ ایک عام سوراخ شدہ قسم 0.1 ملی میٹر موٹی ہو سکتی ہے جس میں 2 ملی میٹر سوراخ ہوتے ہیں اور تقریباً 40 فیصد خالی جگہ ہوتی ہے۔ پھیلی ہوئی دھاتیں اور سوراخ شدہ چادریں کم قیمت کی ہوتی ہیں، لیکن ان میں اعلی شرح کی صلاحیت کم ہوتی ہے۔ سنٹرڈ ڈھانچے بہت زیادہ مہنگے ہیں لیکن اعلی خارج ہونے والی کارکردگی کے لئے موزوں ہیں۔
جھاگوں نے عام طور پر سنٹرڈ پلاک الیکٹروڈز کی جگہ لے لی ہے۔
اسی طرح، منفی الیکٹروڈ بھی ایک سوراخ شدہ نکل فوائل یا گرڈ کا استعمال کرتے ہوئے ایک انتہائی غیر محفوظ ڈھانچہ ہے جس پر پلاسٹک بانڈڈ ایکٹیو ہائیڈروجن سٹوریج الائے کوٹ دیا جاتا ہے۔ الیکٹروڈز کو مصنوعی غیر بنے ہوئے مواد سے الگ کیا جاتا ہے، جو دو الیکٹروڈ کے درمیان ایک انسولیٹر کا کام کرتا ہے اور الیکٹرولائٹ کو جذب کرنے کے لیے ایک میڈیم کے طور پر کام کرتا ہے۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ بیٹری میں مثبت فعال مواد (کیتھوڈ مواد)
Ni-Cd خلیوں کی طرح، Ni-MH خلیوں میں مثبت الیکٹروڈز، چاہے بیلناکار ہوں یا پرزمیٹک، sintered یا پیسٹ شدہ قسم کا استعمال کرتے ہیں۔ Ni-MH خلیوں میں استعمال کے لیے نکل ہائیڈرو آکسائیڈ بنیادی طور پر وہی ہے جو Ni-Cd میں استعمال ہوتا ہے۔ آج کی اعلیٰ کارکردگی کا نکل ہائیڈرو آکسائیڈ، صلاحیت، استعمال کے گتانک، طاقت اور خارج ہونے والے مادہ کی شرح کی صلاحیت، سائیکل کی زندگی، اعلی درجہ حرارت چارج کرنے کی کارکردگی، اور لاگت میں زیادہ ترقی یافتہ ہے۔
کروی ذرات کے ساتھ اعلی کثافت نکل ہائیڈرو آکسائیڈ کو پیسٹ کیے گئے مثبت الیکٹروڈز میں سب سے زیادہ استعمال کیا جاتا ہے۔ /مذکورہ مواد کو ورن کے چیمبروں میں تیار کیا جاتا ہے جہاں نکل سلفیٹ (کارکردگی کے پہلوؤں کو بہتر بنانے کے لیے کوبالٹ اور زنک نمکیات کے ساتھ) کو تھوڑا سا امونیا کے ساتھ ملا کر سوڈیم ہائیڈرو آکسائیڈ کے ساتھ رد عمل ظاہر کیا جاتا ہے۔
زیادہ عام پیسٹ شدہ مثبت پلیٹ عام طور پر میکانکی طور پر اعلی کثافت والے کروی نکل ہائیڈرو آکسائیڈ کو فوم میٹل سبسٹریٹ کے سوراخوں میں چسپاں کرنے سے تیار کی جاتی ہے، جو کہ پولی یوریتھین فوم (PUF) کو نکل کی ایک تہہ کے ساتھ یا تو الیکٹروپلٹنگ کے ذریعے یا کیمیکل کے ذریعے تیار کرتی ہے۔ بخارات کا ذخیرہ اس کے بعد بیس پولیوریتھین کو ہٹانے کے لیے ہیٹ ٹریٹمنٹ کا عمل ہوتا ہے۔ کارکردگی کی خصوصیات کو بہتر بنانے کے لیے جھاگ کے تاکنا سائز اور کثافت کو بھی ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔
اس کے بعد جھاگ کو نکل ہائیڈرو آکسائیڈ کے ساتھ ایک پیسٹ میں بھرا جاتا ہے جس میں کوبالٹ آکسائیڈ ہوتا ہے، جو نکل ہائیڈرو آکسائیڈ اور میٹل کرنٹ کلیکٹر کے درمیان ایک ترسیلی نیٹ ورک بناتا ہے۔ جس طرح لیڈ ایسڈ سیل میں لیڈ سلفیٹ، نکل ہائیڈرو آکسائیڈ ایک ناقص موصل ہے۔ اب فوم پلیٹ اگلے مرحلے کے لیے تیار ہے۔
الیکٹروڈ کی دوسری قسم sintered ایک ہے. اس قسم میں بجلی کی بہتر صلاحیت ہے لیکن کم صلاحیت اور زیادہ لاگت کی قیمت پر۔
سینٹرڈ پازیٹو فلیمینٹری نکل کو سبسٹریٹ جیسے سوراخ شدہ ورق پر چسپاں کرنے سے شروع ہوتا ہے، جہاں نکل کے ریشوں کو پھر نائٹروجن/ہائیڈروجن کا استعمال کرتے ہوئے کم کرنے والی فضا میں اعلی درجہ حرارت کی اینیلنگ فرنس کے نیچے سینٹر کیا جاتا ہے۔ اس عمل میں چسپاں کرنے کے عمل سے بائنڈر جل جاتے ہیں، جس سے نکل کا کنڈکٹیو ڈھانچہ نکل جاتا ہے۔
اس کے بعد نکل ہائیڈرو آکسائیڈ کو کسی کیمیکل کا استعمال کرتے ہوئے سنٹرڈ کنکال کے سوراخوں میں پھینک دیا جاتا ہے۔
یا الیکٹرو کیمیکل امپریگنیشن کا عمل۔ اس کے بعد رنگدار الیکٹروڈ بنتے ہیں یا پہلے سے چالو ہوجاتے ہیں۔
الیکٹرو کیمیکل چارج / ڈسچارج سائیکلنگ کے عمل میں۔ اب sintered پلیٹ اگلے مرحلے کے لئے تیار ہے.
منفی الیکٹروڈ کے لئے دھاتی ہائیڈرائڈ مرکب (انوڈ مواد)
Ni-MH خلیات ہائیڈروجن جذب کرنے والے مرکب کی شکل میں دھاتی ہائیڈرائڈ فعال مواد استعمال کرتے ہیں۔ مصر کے لئے کئی مختلف مرکبات ہیں. وہ ہیں:
- AB5 مرکب
- AB2 مرکب
- A2B7 کھوٹ
یہ مختلف تناسب میں نایاب زمینی دھاتوں سے بنے ہوئے انجینئرڈ مرکب ہیں۔ ان مرکب دھاتوں کی پیداوار اور خصوصیات کو بیان کرنا اس مضمون کے دائرہ کار سے باہر ہے۔ قارئین سے گزارش ہے کہ ان مرکبات پر متعلقہ اشاعتوں اور Ni-MH بیٹریوں پر خصوصی کتابوں کا حوالہ دیں۔
منفی الیکٹروڈ ایک بار پھر ایک انتہائی غیر محفوظ ڈھانچہ ہے جس میں سوراخ شدہ نکل فوائل یا گرڈ کا استعمال کیا جاتا ہے جس پر پلاسٹک بانڈڈ ایکٹیو ہائیڈروجن سٹوریج الائے کوٹ کر پروسیس کیا جاتا ہے۔
نکل میٹل ہائیڈرائڈ بیٹری میں الیکٹرولائٹ
جیسا کہ Ni-Cd خلیات میں، Ni-MH خلیات میں الیکٹرولائٹ تقریباً 30% پوٹاشیم ہائیڈرو آکسائیڈ کا ایک آبی محلول ہے، جو درجہ حرارت کی وسیع رینج میں اعلی چالکتا فراہم کرتا ہے۔ لیتھیم ہائیڈرو آکسائیڈ (LiOH) تقریباً 17 گرام فی لیٹر (GPL) کے ارتکاز میں ہمیشہ ایک اضافی چیز ہے۔ یہ آکسیجن کے ارتقاء کے رد عمل کو دبا کر مثبت الیکٹروڈ پر چارجنگ کی کارکردگی کو بہتر بنانے میں مدد کرتا ہے، جو چارج قبولیت کو کم کرنے والا مسابقتی ردعمل ہے۔
جیسا کہ VRLA اور Ni-Cd خلیات کے معاملے میں، Ni-MH خلیات بھی مہر بند، بھوکے الیکٹرولائٹ ڈیزائن کے ہوتے ہیں۔ پلیٹیں تقریباً الیکٹرولائٹ سے سیر ہوتی ہیں۔ سیپریٹر صرف جزوی طور پر سیر ہوتا ہے تاکہ گیس کے تیز رفتار پھیلاؤ کو موثر گیس کی بحالی کے رد عمل کی اجازت دی جاسکے۔ NaOH کو شامل کرنے سے اعلی درجہ حرارت چارج کی کارکردگی کو بہتر بنانے میں مدد ملتی ہے، لیکن NAM کے بلند سنکنرن کے نتیجے میں کم زندگی کی قیمت پر۔
نکل میٹل ہائیڈرائیڈ میں بیٹری الگ کرنے والا
الگ کرنے والے کا کام مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے درمیان برقی رابطے کو روکنا ہے جبکہ آئنک ٹرانسپورٹ کے لیے ضروری الیکٹرولائٹ کو برقرار رکھنا ہے۔ Ni-MH خلیات کے لیے پہلی نسل کے الگ کرنے والے معیاری Ni-Cd اور NiH2 غیر بنے ہوئے پولیامائڈ (نائیلون) کپڑے سے جدا کرنے والے مواد تھے۔ تاہم، Ni-MH خلیے خود سے خارج ہونے والے مادہ کے لیے زیادہ حساس ثابت ہوئے، خاص طور پر جب اس طرح کے الگ کرنے والے استعمال کیے گئے تھے۔ آکسیجن اور ہائیڈروجن گیس کی موجودگی نایلان الگ کرنے والے میں پولیامائیڈ مواد کو گلنے کا سبب بنتی ہے۔
اس گلنے سے پیدا ہونے والی سنکنرن مصنوعات (نائٹریٹ آئنز) نے نکل ہائیڈرو آکسائیڈ کو زہر دینے کی اجازت دی، قبل از وقت آکسیجن کے ارتقاء کو فروغ دیا اور دو الیکٹروڈز کے درمیان ریڈوکس شٹل کے قابل مرکبات بھی بنائے، جو خود خارج ہونے کی شرح کو مزید بڑھاتا ہے۔ اس لیے اس قسم کا الگ کرنے والا آج کل استعمال نہیں کیا جاتا۔ اس کے بجائے، polyolefin separators Nextgen خلیات میں ملازم ہیں. "مستقل طور پر گیلا کرنے کے قابل پولی پروپیلین” اب بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ بہتر الگ کرنے والا PP اور PE کا مرکب ہے جس میں خصوصی علاج ہیں۔ خود خارج ہونے کی شرح اور سائیکل کی زندگی ساخت، گیلے ہونے اور گیس کی پارگمیتا کے ساتھ قابل تعریف طور پر متاثر ہوتی ہے۔
