آنچه باید درباره کاتد هوا در باتری های فلز-هوا بدانید

باتری هایی که یک کاتد هوا (الکترود هوا) دارند، به دلیل داشتن چگالی انرژی قابل توجه، خاص و ویژه، به عنوان سیستم های ذخیره انرژی (Energy Storage Systems) یا (ESS) برای وسایل نقلیه الکتریکی (Electrical Vehicles) یا (EV) مورد توجه قرار می گیرند.

عملکرد الکتروشیمیایی این باتری ها توسط الکترود فلزی محدود می شود. در طول چرخه عملکرد باتری برای تأمین انرژی، الکترودها دچار تحولات ساختاری و خوردگی می شوند که این شرایط باعث کاهش عمر چرخه باتری می شود. در این زمینه، اطلاعات مربوط به محصولات تخلیه شدن باتری را می توان با پراش یا تَفَرُق نوترون، بدست آورد. این روش علمی، یک روش مناسب برای مطالعه الکترودهایی است که حاوی عناصر سبک یا عناصر مجاور آنها در جدول تناوبی هستند.

مقدمه ای بر فناوری های باتری فلز- هوا با کاتد هوا

باتری های مبتنی بر کاتد هوا سیستم های امیدوار کننده با کارآیی بالاتر برای ذخیره انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی (EV) هستند؛ زیرا این الکترودها سبک تر بوده و از نظر تئوری ممکن است ظرفیت الکتروشیمیایی بالاتری نسبت به باتری های یون- لیتیوم داشته باشند.

این به نوبه خود، چگالی انرژی را به حداکثر می رساند و ممکن است منجر به افزایش قابل توجه دامنه ولتاژ، بالاتر از حد معمول امروزی شود.

باتری با کاتد هوا چیست؟

باتری های داری کاتد هوا یک سیستم ترکیبی است که دو فناوری را نشان می دهند؛ پیل های سوختی و باتری های قابل شارژ.

الکترود یا کاتد مثبت، یک الکترود سبک است که برای آزاد کردن انرژی ذخیره شده به منبع مداوم سوخت یا واکنش دهنده گازی نیاز دارد؛ مانند سلول های سوخت جامد اکسید (Solid Oxide Fuel Cells).

آند، یک الکترود فلزی است که معمولاً حاوی مواد افزودنی است تا عملکرد الکتروشیمیایی آن را بهبود ببخشد و در الکترولیت که به طور معمول یک محلول آبی است، غوطه ور شود.

این پیکربندی ترکیبی، برخی از مشکلات مرتبط با سلول های سوختی و باتری های قابل شارژ را که به صورت جداگانه به وجود می آیند، برطرف می کند. به عنوان مثال، باتری های کاتد هوا به گاز H2 متکی نیستند، بنابراین مسائل ایمنی و هزینه های مربوط به ذخیره سازی هیدروژن در سیلندرهای تحت فشار و محدودیت های باتری های هوا و فلز را ندارند.

مشکلات ظرفیت الکتروشیمیایی در باتری قابل شارژ نیکل-فلز هیدرید (NiMH) با استفاده از الکترود هوا به جای Ni (OH)2 ، وجود ندارد؛ از این رو استفاده از یک باتری MH-air ممکن است به طور قابل توجهی افزایش یابد.

نگاهی بر واکنش ها در باتری با کاتد هوا

واکنش های نیم سل در باتری کاتد هوا در قسمت زیر نشان شده است. برای الکترود هوا مثبت، اکسیژن یا هوا هنگام تخلیه تأمین می شود و واکنش کاهش اکسیژن با انتقال 2 مولکول هیدروکسید انجام می شود.

تولید الکترودهای هوا که بتوانند در برابر تکامل الکتروشیمیایی و کاهش اکسیژن (OER و ORR) با سرعت جریان بالا مقاومت کنند، دشوار است.

در مورد واکنش های نیم سل در الکترود فلزی، دو واکنش ارائه شده است که به طور کلی شیمی در این الکترود را توصیف می کند؛ که یکی از محدودیت ها از نظر ظرفیت الکتروشیمیایی باتری است.

Air electrode: 2OH⁻ ↔ ¹/₂O₂ + H₂O + 2e⁻ (واکنش شماره 1)

MH -electrode: 2M + 2H₂O + 2e⁻ ↔ 2MH + 2OH⁻  (واکنش شماره 2)

:الکترود فلزی 2M(OH)_x + 2e⁻ ↔ 2M + 2OH⁻(واکنش شماره 3)

طول عمر چرخه باتری کاتد هوا توسط واکنش های انجام شده در الکترود فلزی محدود می شود. در باتری های MH-air، ظرفیت ذخیره شده الکتروشیمیایی، بالا است (300 میلی آمپر بر گرم؛ برای آلیاژهای نوع AB₅).

با این حال، این مواد در محلول های قلیایی، خورده می شوند و یک عایق را برای ارتباط ذره / الکترولیت شامل ترکیب La(OH)2 تشکیل می دهند که باعث کاهش نفوذ پروتون ها به می شود و با ادامه واکنش الکتروشیمیایی، ظرفیت به سرعت کاهش می یابد.

پدیده خوردگی همچنین باتری های هوا و فلز را تحت تأثیر قرار می دهد. در باتری های Li-Air، فعل و انفعال شیمیایی بین فلز Li و الکترولیت برای جلوگیری از تشکیل فازهای برگشت ناپذیر، بسیار مهم است و الکترولیت های غیر پروتونه، عملکرد بهتری نسبت به انواع محلول آبی نشان داده اند.

واکنش های برگشت ناپذیر محصولات تخلیه ای در الکترودهای فلزی در باتری های کاتد هوا، Zn-air ، Fe-air و Mg-air بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد و علاوه بر این، کامل شدن گاز H2 در پتانسیل تخلیه، رخ می دهد که باعث کاهش کارایی باتری ها می شود.

در مورد باتری های کاتد هوا، Fe-air، افزودن K2SnO3 به الکترولیت آبی، عملکرد الکتروشیمیایی باتری را بهبود می بخشد.

استفاده از نانو کاتالیست ها برای اصلاح کاتد هوا در باتری فلز هوا

تحقیقات زیادی روی انواع باتری فلز هوا انجام می ‌شود. از آنجایی که کاتد هوا در این باتری ها بسیار مهم است و باید بستر مناسبی فراهم شود تا واکنش های الکتروشیمیایی کامل شوند، محققان استفاده از نانو کاتالیست ها را پیشنهاد داده‌ اند. این کاتالیزورها انواع مختلفی دارند اما نانوکاتالیست ها، کارایی بهتری را برای کاتد هوا در باتری فلز- هوا ارائه می دهند.

مطالعات انجام شده بر روی نانو کاتالیست ها به روش تفرق پرتوی ایکس نشان داده است که اندازه ذرات حدود ۱۶ تا ۲۸ نانومتر بوده که می‌ توانند بر روی کاتد به خوبی پراکنده شوند. چرخه شارژ و تخلیه شدن باتری ها با این نانو کاتالیست ها در کاتد هوا بیشتر از 1000 سیکل، ثبت شده است. پتانسیل شارژ برای باتری هایی که با این روش تهیه می ‌شوند، حدود 2/0 تا 4/2 ولت است. البته باید خاطر نشان کرد که این مقدار ولتاژ و شدت جریان برای انواع باتری ها با نانو کاتالیست های متفاوت ممکن است بسیار متغیر باشد.

علاوه بر نانو کاتالیست ها از مایعات یونی برای الکترولیت استفاده می شود. این کار، ایمنی و طول عمر باتری فلز- هوا را افزایش می دهد. یکی از نانو کاتالیست ها که بسیار در تحقیقات استفاده شده ترکیب NP-MnFe2O4 نام دارد.

سخن پایانی

در باتری فلز- هوا، کاتد، یک الکترود منفی است که بخشی از واکنش های الکتروشیمیایی روی آن انجام می گیرد. در کاتد، هیدروژن آزاد می شود. باتری های فلز- هوا، انواع مختلفی دارند. کاتد در این باتری ها، هوا است و آند، همان فلز می باشد. برای اینکه واکنش های الکتروشیمیایی در کاتد و آند در این باتری ها کامل انجام شود و چرخه شارژ شدن و تخلیه شدن به خوبی کامل گردد، حتماً باید زمینه برای واکنش فراهم شود.

سطح کاتد هوا با کاتالیست ها که می تواند اکسیدهای فلزی باشد یا نانوکاتالیست، پوشانده می شود. نانوذرات، سطح بهتری را برای واکنش ها در کاتد هوا فراهم می کنند. از متداول ترین باتری های فلز- هوا می ‌توان به باتری لیتیوم – هوا، روی – هوا، آلومینیوم – هوا و آهن – هوا اشاره کرد. تحقیقات پیرامون طراحی و ساخت باتری های فلز – هوا بسیار ادامه دارد و آینده این باتری ها روشن است. امید می رود که در وسایل نقلیه و تجهیزاتی که با باتری کار می کنند، این باتری ها مورد استفاده قرار بگیرند.

مقاومت در برابر تغییرات شرایط دمایی، عدم خوردگی الکترودها، قابلیت شارژ و تخلیه در طولانی مدت و تامین حداکثر شدت جریان، از مهم ترین فاکتورهایی هستند که در طراحی و ساخت باتری فلز – هوا مورد توجه قرار می گیرند.

منبع:

https://www.frontiersin.org/articles/3389/fenrg.2018.00069/full#:~:text=An%20air%20cathode%20battery%20is,)%20(Singhal%2C%202000).

http://ijac.journals.pnu.ac.ir/article_6153_b4d82b045c871d917ed300b27dc3b55pdf