باتری فلز هوا (Metal–air battery) عملکرد و ساختار

باتری فلز هوا یک سلول الکتروشیمیایی است که کاتد بیرونی آن، هوای محیط پیرامونی است که سرشار از اکسیژن است و آند آن یک فلز خالص.

این باتری با عملکرد الکترولیت آبی کار می کند. این باتری ها در هنگام شارژ شدن و شارژ کردن، آند فلزی را به حالت اکسید در می آورد و در ارتباط با کاتد هوای محیط پیرامون، باعث یک واکنش اکسیداسیون می شود.

ابن نکته را باید به یاد داشت که برای گزینش فلز به کار رفته در باتری فلز هوا عامل چگالی انرژی خاص یکی از فاکتورهای بسیار مهم است. فاکتور دیگر که از اهمیت بالایی برخوردار است ولتاژ مدار باز ساخته شده به وسیله این باتری هاست.

اهمیت باتری های فلز هوا

با توسعه فناوری های نوین که همگی بر پایه استفاده از انرژی الکتریسته بنا نهاده شده بودند، مسئله تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز این فناوری ها به وسیله باتری های قابل شارژ مجدد، به یکی از موضوعات اصلی مورد توجه پژوهشگران بدل شده است.

باتری های قابل شارژ به دلیل مصارف بسیار زیادی که در زندگی روزمره انسان دارند، از اهمیت بالایی برخوردار شده اند و همین عامل باعث شده تا شرکت های سازنده برای کیفیت هرچه بیشتر این محصولات دست به تحقیقات و پژوهش های فراوان بزنند. در این میان، باتری فلز هوا یکی از برترین ها در این عرصه هستند.

این باتری ها یک فناوری نوپا و بسیار جدید محسوب می شوند که از ورود آنها به عرصه نوآوری های فنی زمان زیادی نمی گذرد. این فناوری دارای مزیت، نگهداری انرژی با بهترین تراکم و امنیت بالاست.

چرا باتری های فلز هوا؟

 ابداع باطری های لیتیوم یون (Lithium-ion) انقلابی در صنعت تولید باتری‌های وسایل الکترونیکی بود و امروزه به لطف باتری‌های لیتیوم-یونی (LIB) است که می‌توانید یک گوشی هوشمند پر مصرف را ۲۴ ساعت بدون شارژ کردن استفاده کنید و یا با یک دوربین عکاسی DSLR ساعت‌ها در طبیعت به عکاسی بپردازید!

باطری های لیتیوم-یون (LIB) به عنوان نسل برتر باتری های قبلی توانسته بودند با افزایش ۹۰ درصدی زمان نگه داشت شارژ، افزایش چگالی باتری تا ۶۰ درصد و ۸۰ درصد وزن پایین تر، انقلابی در صنعت باتری ها ایجاد کنند.

حتما برای شما هم سوال شده که: ایراد این باتری ها چیست که کشورها و شرکت های بزرگ دنیا به دنبال باتری های فلز هوا هستند؟

معایب و محدودیت های باطری لیتیوم-یون

باتری های لیتیوم یون، معایب غیرقابل اغماضی دارند؛ به طور مثال در یک خودروی برقی، علاوه بر حجم بالای فضایی که باتری اشغال می نماید، این خودروها نهایتا می توانند ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتر مسافت طی نمایند و پس از آن بایستی به مدت ۶ تا ۸ ساعت شارژ شود! 

علاوه بر پایین بودن چگالی انرژی باتری های لیتیوم-یونی مشکل اشتعال و انفجار احتمالی را نیز بالا می برد!

مزایا

• افزایش چگالی انرژی (تا ۵ برابر)
  چگالی تامین انرژی باتری فلز هوا بسیار بالاتر از باتری های فعلی است؛
  به عنوان مثال خروجی باتری های لیتیوم یونی به ازای هر کیلوگرم بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ وات ساعت انرژی است اما باتری لیتیوم هوا تا ۱۲۰۰ وات ساعت برای هر کیلوگرم وزن باتری، خروجی انرژی دارد.
  
  
• کاهش حجم و وزن (تا ۸۰درصد)
  در این باتری ها کاتد عملاً وجود ندارد بنابراین وزن باتری کاهش می یابد و کاتد به صورت هوایی و محیطی همواره در دسترس باتری و سلول شیمیایی خواهد بود. این موضوع باعث می شود استفاده از این باتری ها در وسایل مختلف مانند خودروها، وزن و حجم زیادی را اشغال نکند.

• زمان شارژ بسیار کوتاه
  سرعت بالای شارژ شدن و زمان اندک برای فرایند دریافت انرژی الکتریکی است؛
  یک باتری لیتیومی یونی با وزن حدود ۲۵۰ کیلوگرم، در صورت شارژ معمولی به حدود ۲۴ ساعت و در موقعیت‌های شارژ سریع، حداقل به ۸ ساعت زمان برای شارژ مجدد نیاز دارد اما این زمان برای باتری های فلز هوا، در حد چند دقیقه است!
  
  
• ایمنی بسیار بالا
  این باتری ها منفجر یا مشتعل نمی شوند و از این لحاظ ایمنی بسیار بالاترین نسبت به باتری های نسل های قبلی دارند.
  
  
• قیمت ارزان تر
  در مقایسه با سایر باتری ها، خصوصا باتری های لیتیوم یون، باتری های فلز- هوا ارزان‌تر هستند چرا که منبع کاتد آنها اکسیژن هوا است که بدون هزینه در دسترس قرار دارد.
  
  
• دوستدار محیط زیست
  در ساخت این باتری ها از فلزاتی از جمله آلومینیوم، روی، منیزیم استفاده می شود که نه تنها به محیط زیست آسیبی وارد نمی کند، بلکه اکسید آن‌ها نیز برای خاک مفید است.
  ضمن اینکه سایر موادی که در ساخت این باتری ها استفاده می شود، مانند الکترولیت باتری های فلز-هوا، از جنس مواد سمی، اسیدی و…نیست و هیچ خسارتی به محیط زیست نمی زند.

انواع باتری فلز هوا، مزایا و نقاط ضعف

باتری های فلز هوا بر اساس فلزات مختلفی که در آند آن استفاده می شود، دسته بندی می شود؛ یعنی با تحول در نوع الکترولیت ها، انواع متنوع این باتری با ویژگی های متنوع ساخته می شود. 

برخی از انواع باتری های فلز هوا شامل:

• باتری لیتیم هوا
• باتری آلومینیوم هوا
• باتری روی هوا
• باتری سدیم هوا
• باتری پتاسیم هوا
• باتری منیزیم هوا
• باتری کلسیم هوا
• باتری آهن هوا

تمام فلزات اشاره شده در باتری فلز هوا به شکل تئوری یک چگالی انرژی ویژه با واحد وات ساعت بر کیلو گرم دارد که به ترتیب برای سلول شیمیایی فلز هوا بر پایه فلزات آلومینیوم، ژرمانیوم، کلسیم، آهن، لیتیوم، منیزیوم، پتاسیم، سدیم و سیلیکون، روی، به ترتیب مقادیر ۴۳۰۰، ۱۴۸۰، ،۲۹۹۰، ۱۴۳۱، ۵۲۱۰، ۲۷۸۹، ۹۳۵، ۱۶۷۷،۴۲۱۷،۱۰۹۰ به همراه فاکتور اکسیژن است.

در صورت چشم پوشی از فاکتور اکسیژن، این اعداد چگالی انرژی ویژه تئوری به اعداد ۸۱۴۰، ۷۸۵۰، ۴۱۸۰، ۲۰۴۴، ۱۱۱۴۰، ۶۴۶۲، ۱۷۰۰، ۲۲۶۰، ۹۰۳۶، ۱۳۵۰ تغییر می کند.

در ضمن این باتری فلز هوا بر پایه فلزات ذکر شده، به ترتیب در شرایط تئوری، به شکل مدار باز و بر حسب ولت، ولتاژهایی به شرح ۱٫۲، ۱، ۳٫۱۲، ۱٫۳، ۲٫۹۱، ۲٫۹۳، ۲٫۴۸، ۲٫۳، ۱٫۶، ۱٫۶۵ در دسترس قرار می دهند.

باتری لیتوم هوا(Lithium–air battery)

در مورد باتری فلز هوا بر پایه فلز لیتیوم باید ذکر کرد، انرژی ویژه فلز لیتیوم بسیار بالاست و از مرتبه ۳۴۵۸ وات ساعت بر کیلوگرم است. الکترود جامد فلز لیتیوم در نقش آند، به وسیله یک الکترولیت آبی احاطه شده و در کنار کاتدی از هوای پیرامون، اجزای یک باتری فلز هوا را تشکیل می دهند.

در سلول شیمیایی لیتیوم هوا و در زمان شارژ شدن و شارژ کرد، یون سوپر هیدروکسید به دست می آید که حاصل واکنش سلول است، از شارژ مجدد باتری فلز هوا، ممانعت به عمل می آورد. در این زمینه در جهت تجاری سازی باید این مشکل را برطرف ساخت.

باتری لیتیوم هوا از نظر توان الکتریکی، بسیار ویژه است؛ انرژی دریافتی از باتری فلز هوا لیتیومی، با کارکرد یک موتور دیزلی گازوئیلی رقابت می کند. عملکرد و فعالیت سلول شیمیایی فلز هوا بر پایه لیتیوم، تقریبا ۱۰۰ برابر باتری های یون لیتیوم کنونی است.

برای فهم بیشتر، با دارا بودن یک بسته باتری فلز هوا با ۲۵۰ کیلوگرم در یک خودرو، می توانید ۵۰۰ کیلومتر مسیر را به راحتی طی کنید. همچنین عملکرد سلول شیمیایی فلز هوا بر پایه لیتیوم، از مرتبه ی ۵ برابر برتر از عملکرد باتری های لیتیوم پلیمر محاسبه شده است. مشکل اصلی در باتری لیتوم هوا، مسئله دوره شارژ و تخلیه شارژ مداوم و متعدد آن است که هنوز لاینحل باقی مانده است.

باتری فلز هوا لیتیومی به طور تئوری دارای چگالی انرژی خاص تا حد ۱۰٫۰۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم است. فلز لیتیوم با آب سریعا واکنش نشان می دهد و همین علت موجب می شود ساختار هندسی یک سلول شیمیایی فلز هوا لیتیومی با با ساختار هندسی سلول شیمیایی فلزهای دیگر تفاوت اساسی داشته باشد.

آنچه باتری فلز هوا لیتیومی را در قیاس با دیگر جایگزین های فلزی از جمله روی، متمایز می‌نماید، انرژی و چگالی توان ویژه بسیار مطلوب، امکان تفکیک شیمیایی آنها در الکترولیت و امکان استفاده از الکترولیت های اسیدی و خنثی است. به هر حال باتری فلز هوا به محض اکتیو شدن پیل، از خورده شدن آند به وسیله آب و اکسیژن ضربه می خورد.

در شکل پایین تصویر گرافیکی از یک باتری فلز هوا بر پایه فلز لیتیوم به نمایش درآمده است که انرژی الکتریسته مورد نیاز خودرو را تامین می کند، در ضمن الکترولیت آبی و مسیر الکترونی و کاتد هوایی در شکل به نمایش درامده است. اکسیژن موجود در هوای پیرامون، بعد ازعبور از کاتد هوایی به درون الکترولیت آبی نفوذ می کند همچنین پوشش کاتد هوایی از کاتالیست ها، که سرعت واکنش را بالا می برند، و همچنین سرشار از لیتیوم اکسید شده است.

با توجه به نقایص یون سوپر هیدروکسید در باتری فلز هوا بر پایه لیتیوم، بهره بری از سایر فلزات در سلول شیمیایی مورد سنجش قرار گرفته است. برای نمونه باتری فلز هوا بر پایه سدیم سعی دارد که ناپایداری و بی ثباتی باتری های لیتیومی را که یک نقص مهم است، مرتفع سازد.

فلز سدیم با تراکم انرژی ۱۶۰۵ وات ساعت بر کیلوگرم، چگالی پایینی به نسبت لیتیوم دارد؛ اما در عملیات دشارژ، ترکیب پایداری مثل اکسید سدیم تولید می کند که به نسبت دیگر فلزات واکنش مخرب آن چنانی ندارد؛ از طرفی این فرایند و ترکیب، قابلیت برگشت و قابلیت تجزیه دارد و باتری فلز هوا بر پایه سدیم، امکان شارژ مجدد را به صورت خود به خود دارد. با گزینش الکترولیت مناسب، تا ۱۵۰ سیکل شارژ و دشارژ به شکل ثابت و مداوم، برای باتری سدیم هوا گزارش شده است.

در مورد باتری فلز هوا بر پایه پتاسیم، متاسفانه بیش از ۲ تا ۳ چرخه شارژ و دشارژ عملیاتی نیست.

در مورد باتری فلز هوا بر پایه فلز آهن، نتایج و ویژگی ها در خور توجه و جذاب است؛ چرا که اکسید آهن یا همان فعل و انفعال که به آن زنگ زدگی می گویند، ماده ای فراوان، ارزان و دوستدار محیط زیست است.

باتری آهن هوا، بر اساس واکنش آهن و آب و تولید اکسید آهن در کنار هیدروژن عمل می کند؛ پذیرش و فراوانی اکسید آهن در محیط پیرامون، این مزیت را به این گونه باتری فلز هوا می‌دهد که به منظور ذخیره ی انرژی از منابع نامحدود و همیشگی، مثل انرژی خورشیدی و باد، مورد بهره برداری فراوان قرار گرفته و بدون انتشار مواد مضر برای محیط زیست، کار خود را به پیش برد. هیدروژن به دست آمده در زمان زنگ زدگی آهن، می تواند به وسیله یک پیل سوختی، به همراه اکسیژن برای تولید برق به کار رود.

در زمان شارژ و دریافت توان الکتریکی به وسیله باتری فلز هوا، هیدروژنی که از عمل واکنش آب حاصل شده، با کارکردی معکوس در تبدیل اکسید آهن به فلز آهن استفاده می شود؛ در حالت طبیعی با توجه به تحرک بسیار و سریع پروتون ها در الکترولیت آبی، این الکترولیت ها عموماً قلیایی یا اسیدی گزینش می شوند.

باتری فلز هوا بر پایه فلز روی، از قاب فلزی که داخل الکترولیت هیدروکسید پتاسیم آبی غلیظ گذاشته شده به وجود آمده است.

یکی دیگر از نقایص باتری فلز هوا ، با توجه به اینکه در معرض هوای پیرامون می باشد، رویداد کربناسیون است که در آن دی اکسید کربن محیط با هیدروکسید فلز موجود، واکنش داده و کربنات فلز را شکل می دهد که امکان رسوب داشته و این قابلیت را دارد که راه تبادل اکسیژن را سد کند.

در شکل پایین یک باتری فلز هوا به همراه آند فلزی در کنار یک الکترولیت و نیز هوا، که در آن گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن با بخار آب نیز قرار دارد، به نمایش درآمده است

فرآیند شارژ و دشارژ

در این قسمت قصد داریم که به بررسی مکانیسم دریافت شارژ و تحویل شارژ، یا عمل رفت و آمد جریان انرژی در باتری فلز هوا بپردازیم؛ در مرحله تحویل انرژی، اکسیژن گرفته شده از محیط پیرامون با یون های مثبت لیتیوم، که به صورت آزاد در الکترولیت قابلیت جا به جایی و جذب به وسیله کاتد هوایی را دارند، ترکیب اکسیداسیون داده و در انتها راه الکترون ها از طرف فلز به سوی کاتد هوایی ایجاد می شود و راه دشارژ و تخلیه را ترسیم می کند.

آنچه به شکل تئوری و آزمایشگاهی مورد دلخواه و بهینه است، این است که در زمان شارژ، اکسید لیتیوم قرار داشته در کاتد، تجزیه شده و مجددا بازسازی شده و اکسیژن استفاده شده در پیش را، در اختیار هوای محیط بگذارد و این بار جریان یون های لیتیوم از راه الکترولیت آبی به طرف آند هدایت شود و ناچار برای باقی ماندن تعادل الکتریکی راه معکوس الکترون ها برقرار و فرآیند شارژ به صورت مداوم به انجام می رسد.

در شکل پایین نیز تصویر شماتیکی از یک باتری فلز هوا به تصویر درآمده است؛ آند فلزی با رنگ قرمز و الکترولیت با رنگ زرد و کاتد هوایی با رنگ آبی نشان داده شده است. در قسمت کاتد هوایی، کاتالیست هایی برای سرعت بخشیدن به فرآیند قرار داده شده است تا اکسیژن موجود در محیط را به طرف کاتد و الکترولیت هدایت کند.

یون های اکسیژن ‌در الکترولیت به طرف آند به حرکت درآمده و یون های فلزی نیز به طرف کاتد هدایت می شوند. همین مسئله موجب می شود الکترون های آزاد در راه دشارژ در بار الکتریکی استفاده شوند.

در زمان شارژ، مسیر برعکس می شود؛  تعادل سه فازی میان جامد، مایع و گاز در یک باتری فلز هوا اتفاق می افتد؛ به شکلی که الکترون ها از کاتالیست جامد، در کنار اکسیژن در فاز گازی هوا، در نهایت در الکترولیت مایع نفوذ داده می شوند.

تولید باتری فلز هوا در ایران

هر فناوری که در دنیا عرضه می شود را می توان از طریق بومی سازی به صرفه و ارزان تر در اختیار هموطنان در کشورمان قرار داد به همین دلیل شرکت نواسی با بهره گیری از توان فنی و کادر فنی متخصص و کارامد اقدام به بومی سازی باتری فلز هوا نموده است؛ این شرکت با تلاش شبانه روزی جمعی از جوانان نخبه توانسته است این تکنولوژی پیچیده را بومی سازی و حتی در بخش هایی ارتقا دهد.

نواسی این پروژه را سانیوا نامیده است و در حال حاضر به دنبال تجاری سازی این باتری هاست.

یکی از اصلی ترین کاربردهای این باتری ها در سطح جهان، صنایع خودروست؛ این نوع باتری در صنایع نظامی و همچنین سیستم های پشتیبان و دستگاه های مخابراتی نیز دارای کاربرد گسترده است. به عبارتی کاربرد و زمینه هایی که به انرژی بسیار زیاد پایدار، حتی بدون دسترسی به شارژ مجدد باتری ها نیاز دارند، می توانند از این باتری ها استفاده کنند.

شرکت نواسی همزمان با برترین شرکت ها و سازندگان جهانی باتری قابل شارژ در سطح جهان، در زمینه بومی سازی باتری فلزی هوا از سال ۱۳۹۸ گام های مهمی را برداشته است؛ این شرکت پس از تولید نمونه های آزمایشگاهی از این باتری، گام های مهمی نیز در زمینه تجاری سازی تولیدات خود در زمینه باتری های قابل شارژ برداشته است.

نواسی امیداور است بتواند در سال ۱۴۰۲ سانیوا را به طور کامل تجازی سازی کرده و توزیع گسترده آن را آغاز نماید. 

شاید خواندن این مطلب را دوست داشته باشید:

باتری گرافن، ساختار و مزایای آن