باطری روی هوا به عنوان گزینه ای امیدوار کننده، جایگزین باتری های یون – لیتیوم برای تأمین منبع برق یا ساختاری معمولی در نظر گرفته شده است. تحقیقات پیرامون این باتری ها ثابت کرده است که به دلیل تراکم انرژی بالا، ایمنی مناسب، سازگاری با محیط زیست و هزینه های کمتر در مصرف مواد اولیه برای طراحی، ساخت و تولید، باتری های روی – هوا برای تسریع در تولید بسیار مهم هستند. این یعنی می توان اهداف تجاری سازی را برای توسعه منابع تأمین انرژی در آینده دنبال کرد.

در این مقاله، یک روش برای تولید باطری روی هوا از نوع صفحه ای پیشنهاد شده است. این روش شامل باتری های اولیه روی – هوا است که از فویل روی (Zn) استفاده می کنند. روش پیشنهادی شامل طراحی یک پیکربندی باتری روی و هوا، تهیه کاتد هوا و مونتاژ باطری روی هوا است.

علاوه بر این، عملکرد تخلیه گالوانواستاتیک باتری روی و هوا در نسخه اولیه ساخته شده، با تراکم جریان 10 میلی آمپر، آزمایش شده است. این روش می تواند برای تولید باتری های تجاری Zn-air برای تحقیقات آزمایشگاهی و ساخت صنعتی برای وسایل نقلیه الکتریکی، لوازم الکترونیکی مصرفی و دستگاه های ذخیره انرژی به کار رود. مراحل ساخت این باتری ها به صورت زیر می باشد:

• روش آماده سازی برای اجزای موجود در پیکربندی باطری روی هوا و کاتد هوا
• مونتاژ باتری روی و هوا
• ارزیابی مستقیم عملکرد تخلیه باتری های روی و هوا، تولید شده با این روش ساخت

 

جزئیات روش ساخت باطری روی هوا

در حال حاضر، مطالعات زیادی در زمینه تولید باتری های روی – هوا انجام شده است؛ چه بسا این روش ها برای تسریع در تجاری سازی هم بسیار لازم است. در این بخش، جزئیات روش ساخت برای پیکربندی پیشنهادی باتری روی – هوا معرفی شده است. اکثر نشریات مربوط به تحقیق و توسعه باتری های روی و هوا از یک پیکربندی معمولی استفاده می کنند که شامل چندین صفحه است که توسط پیچ و مهره های مختلفی که به طور متقارن قرار گرفته اند، در محل خود، ثابت و محکم شده است. در پیکربندی متداول، صفحات مجاور از طریق نیروی گیره متصل کننده، محکم می شوند.

از پیچ و مهره برای نگهداری آندها و کاتدها برای تشکیل رابط سه فاز در باتری های روی-هوا و انجام واکنش ها استفاده شده است. با این حال، پیکربندی متعارف برای تجاری سازی کافی نیست!

از آنجا که پیکربندی متداول باتری روی – هوا به دلیل حجم و جرم زیاد مواد مصرفی، دارای چگالی انرژی کم است و خطر نشت الکترولیت وجود دارد، برخی خطاهای انسانی برای اتصال قسمت های مختلف باتری ها هم رخ می دهد. این یعنی اگر این باتری ها در مقیاس بزرگ تر تولید شوند، مسئله تعمیرات و نگهداری و مونتاژ آن ها هم دردسرساز می شود.

در مطالعات قبلی، از رایج ترین پیکربندی برای تولید پیشرفته ترین باتری روی – هوا، بسیار بهینه شده استفاده شده است. علاوه بر این، برخی دیگر از طرح های باتری های روی – هوا مانند نوع لوله ای یا نوع بشقابی هم ساخته شده اند. با این حال، این طرح ها دارای اشکالاتی نیز برای تجاری سازی هستند. به عنوان مثال، اگرچه نوع سکه ای (باتری های روی-هوا که به اندازه یک سکه ساخته می شود) در سال، تجاری سازی شده است و در سمعک به کار می رود، محدوده کاربرد آن در لوازم الکترونیکی مصرفی، محدود است.

نوع لوله ای باتری روی – هوا فقط برای باتری های جریان دار طراحی شده است که دامنه کاربرد آن را محدود می کند و انواع آند برای آن در دسترس نیست. در صورت استفاده از الکترولیت مایع، آب بندی و نشتی سیال در صفحات باتری، مشخص نیست و ممکن است روند مونتاژ دستی، پیچیده باشد؛ که این عامل می تواند تولید انبوه باتری ها را محدود سازد.

در پیکربندی اصلاح شده که در این مقاله توضیح داده شده است  برخی از ارزش های پیکربندی باتری روی – هوا می توانند در مقایسه با انواع دیگر مشاهده شوند. در مقایسه با نوع پیکربندی معمولی، اتصال دهنده های مکانیکی داخلی بر روی بدنه باتری برای جایگزینی پیچ و مهره ها استفاده می شوند تا فضای داخلی بسته را با یک حلقه سیلیکونی ضد آب تشکیل دهد؛ این آب بندی برای جلوگیری از خطر نشت الکترولیت است.

این پیکربندی پیشنهادی برای ساخت باتری روی – هوا در مقایسه با نوع سکه ای آن، دارای پتانسیل وسیع تری برای کاربرد در وسایل نقلیه الکتریکی و تأمین انرژی در دستگاه های ذخیره سازی است. در مقایسه با نوع صفحه ای، روند مونتاژ این نوع روش ساخت، آسان تر است و می تواند برای مونتاژ مکانیکی در تولید انبوه مناسب باشد.

 

طراحی اجزای پیکربندی باطری روی هوا

پیکربندی باتری روی – هوا از اجزای لازم برای بسته بندی و لوازم جانبی فلزی تشکیل شده است. اجزای بسته بندی باتری را می توان از طریق فناوری پرینت سه بعدی تولید کرد. مواد پلی آمید 12 (PA12) برای مواد آب بندی انتخاب شده است. مطالعات قبلی نشان داده که PA12  مقاومت خوبی نسبت به مواد قلیایی در محلول های 50 درصد وزنی KOH نشان دهد. علاوه بر این، اجزای بسته بندی می توانند از طریق قالب گیری تزریقی برای آب بندی ها تولید شوند. این مواد شامل اکریلونیتریل بوتادین استایرن هستند که مقاومت خوبی در محیط های قلیایی دارند و برای تولید انبوه هم مقرون به صرفه می باشند.

یک صفحه فلزی با اندازه 12 × 30 × 1 میلی متر؛ بلوک مسی با اندازه 7.5 × 10 × 3.8 میلی متر؛ به همراه اتصالات مناسب برای صفحات (به شکل زیر نگاه کنید)

آماده سازی کاتد هوا برای باطری روی هوا

در این بخش، یک روش ساده و آسان برای آماده سازی کاتد هوا در باتری روی – هوا ارائه می گردد که می تواند برای تولید انبوه معرفی شود. کاتالیزور MnO2 روی الکترود هوا، یک کاتالیزور تجاری است (نوع α این ترکیب، اندازه ذرات در حدود 200 نانومتر دارد). با توجه به نیازهای عملی، اکسید منگنز (ll) توسط کاتالیزورهای دیگر جایگزین می شود. کاتد هوا با مراحل زیر تهیه می شود:

(i) تهیه لایه کاتالیزوری: کاتالیزور MnO2، XC-72-R، کربن سیاه و PTFE (60٪ وزنی امولسیون) در مقادیر متوسط ​​اتانول با نسبت وزنی 3: 5: 2 حل می شود. کربن سیاه برای افزایش رسانایی الکترودهای هوا و لایه کاتالیزوری استفاده می شود. با این نسبت، چسب PTFE تشکیل می شود. دوغاب مخلوط فوق توسط فشار غلتک، فشرده می شود تا لایه کاتالیزوری ایجاد شود.

(ii) تهیه لایه نفوذ ضد آب: مخلوط امولسیون XC-72R، کربن سیاه، اتانول و PTFE با نسبت وزنی به ترتیب 2: 4: 4 تهیه می شود. برای فشردن دوغاب مخلوط فوق برای تشکیل لایه انتشار ضد آب با ضخامت 0.3 میلی متر، غلتک استفاده می شود.

(iii) جمع کننده جریان (مِش نیکل یا مِش Cu) بین لایه کاتالیزوری فشرده و یک لایه نفوذ ضد آب قرار می گیرد و مواد حاصل متعاقباً توسط یک فشار غلتکی تحت فشار قرار می گیرند تا کاتدهای هوا با ضخامت 0.74 mm ایجاد شود.

(IV) پس از خشک شدن در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه، کاتدهای هوا به صفحه هایی با اندازه یکنواخت 72 در 112 میلی متر برش داده می شوند.

قسمتهایی از لایه کاتالیزوری و لایه نفوذی ضد آب در بالای صفحات کاتد هوا در باتری روی – هوا باید خراش داده شود تا بخشی از جمع کننده جریان را نشان دهد.

اعتبار سنجی روش ساخت باطری روی هوا

به منظور بررسی عملکرد تخلیه باطری روی هوا تولید و مونتاژ شده با روش فوق، آزمایش تخلیه گالوانواستاتیک با استفاده از سیستم تست باتری در 10 میلی آمپر انجام شد.

منحنی تخلیه گالوانواستاتیک باتری روی و هوا در 10 میلی آمپر در شکل بالا نشان داده شده است. ظرفیت تخلیه باتری، 10.4 Ah است. باتری برای مدت طولانی، بدون نشت الکترولیت، یک ولتاژ تخلیه پایدار را حفظ می کند. علاوه بر این، در هنگام تخلیه باتری، مشکلات خوردگی و واکنش های اکسید در سطح جمع کننده جریان در الکترودهای هوا مشاهده نشد.

خرابی باتری روی – هوا به طور کلی به تخریب آند Zn و نه الکترود هوا نسبت داده می شود زیرا الکترود هوا معمولاً عمر بسیار بیشتری نسبت به آند روی دارد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که روش پیشنهادی برای تولید باتری های روی و هوا، با اثر آب بندی خوب است. این روش ساخت برای تجاری سازی باطری روی هوابسیار خوب است و چگالی انرژی بالاتری دارد. کاتالیزور مورد استفاده در روش تهیه الکترودهای هوا همچنین می تواند توسط برخی دیگر از کاتالیزورهای دو منظوره برای تولید باتری روی – هوا قابل شارژ، جایگزین شود.

در این مطلب، یک راهنمای کامل را در مورد 6 منبع انرژی تجدیدپذیر در جهان می شناسید؛ این منابع، مهم ترین روش های نوین تأمین انرژی پاک در جهان برای نسل آینده هستند….

انرژی تجدید پذیر چیست و چگونه عمل می کند؟

آیا تا به حال از خود پرسیده اید که “انرژی تجدید پذیر(Renewable energy) ” واقعاً به چه معناست؟ منابع انرژی تجدید پذیر به معنای واقعی کلمه درمنابع نور خورشید، هوا، اعماق زیر زمین و اقیانوس ها یافت می شوند. این منابع، بخشی از ساختار فیزیکی سیاره هستند، به این معنی که دائماً با پدیده های طبیعی در حال نوسازی و تجدید شدن می باشند. این منابع به راحتی تمام نمی شوند.

این منابع انرژی پایدار به عنوان روش های نوین تأمین انرژی پاک، اغلب “انرژی جایگزین” نامیده می شوند، زیرا می توان آنها را جایگزینی برای سوخت های فسیلی مانند نفت و زغال سنگ دانست.

البته صرفاً به این دلیل که یک منبع انرژی، تجدید پذیر است، به این معنی نیست که 100 درصد از نظر محیط زیست ایمن است. به عنوان مثال، سدها قدرت حرکت آب را مهار می کنند، اما این پروژه ها می توانند باعث آسیب رساندن به ماهی ها و حیات وحش شوند. توربین های بادی از انرژی خورشید برای تولید الکتریسیته پاک استفاده می کنند، اما اثرات زیست محیطی ناشی از روند تولید هنوز هم وجود دارد.

با این وجود، همه منابع انرژی جایگزین، آسیب های زیست محیطی بسیار سبک تری نسبت به سوخت های فسیلی ایجاد می کنند. به همین دلیل است که منابع انرژی تجدیدپذیر به عنوان بهترین روش های نوین تأمین انرژی پاک، بسیار مهم هستند.

آنچه برای محیط زیست، مثبت شناخته شده است، از نظر اقتصادی به طور فزاینده برای صاحبان خانه و مشاغل، مفید است. به طور خاص، انرژی خورشیدی و بادی اکنون در بسیاری از مناطق جهان نسبت به سوخت های فسیلی ارزان تر است و سالانه قیمت آن کاهش می یابد.

بنابراین لازم می دانیم توضیح دهیم که انرژی های تجدیدپذیر چگونه کار می کنند؛ در این قسمت نگاهی می اندازیم به 6 منبع انرژی پاک  و روش های نوین تأمین انرژی پاک که می توان مستقیم یا غیرمستقیم، آنها را برای کمک به سالم ماندن جهان و مبارزه با گرم شدن کره زمین مورد استفاده قرار داد. به غیر از منابع انرژی زمین گرمایی و هیدروژن، خورشید در هر یک از این نوع انرژی های تجدید پذیر، نقش بسزایی دارد.

روش های نوین تأمین انرژی پاک؛ سبز و تمیز: منابع پایدار انرژی

6 نوع انرژی پاک با تکیه بر فرآیندهای طبیعی مانند نور خورشید یا امواج تولید می شود. آنها به طور کلی، پایدارترین اشکال انرژی هستند.

1-انرژی خورشیدی

نور خورشید یک منبع تجدید پذیر و یکی از مهم ترین و اصلی ترین روش های نوین تأمین انرژی پاک است و روش مستقیم استفاده از آن، با دریافت انرژی خورشید حاصل می شود. برای تبدیل انرژی و نور خورشید به گرما از انواع فن آوری های انرژی خورشیدی استفاده می شود: روشنایی، تأمین آب گرم، برق و سیستم های خنک کننده برای مشاغل و صنایع، نمونه هایی از این کاربردها هستند.

سیستم های فتوولتائیک (PV) از سلول های خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به برق استفاده می کنند. از سیستم های آب گرم خورشیدی می توان برای گرم کردن ساختمان ها با گردش آب از طریق جمع کننده های خورشیدی صفحه ای تخت استفاده کرد.

ظروف آینه ای که برای جوشاندن آب در یک مولد بخار متمرکز شده اند می توانند با تمرکز گرمای خورشید، برق تولید کنند. ساختمان های تجاری و صنعتی همچنین می توانند از انرژی خورشید برای نیازهای بزرگتر مانند تهویه، گرمایش و سرمایش استفاده کنند.

2-انرژی باد

باد – یکی از روش های نوین تأمین انرژی پاک – را می توان نوعی مشابه با انرژی خورشیدی دانست؛ زیرا گرمایش و سرمایش نامتعادل جو باعث ایجاد وزش باد (و همچنین چرخش زمین و سایر عوامل توپوگرافی) می شود.

جریان باد می تواند توسط توربین های بادی دریافت شده و به برق تبدیل شود. در مقیاس کوچکتر، امروزه از آسیاب های بادی برای پمپاژ آب در مزارع استفاده می شود.

سیستم های تولید نیروگاه بادی تجاری برای تأمین نیازهای انرژی تجدیدپذیر بسیاری از سازمان ها در دسترس هستند. توربین های بادی می توانند برق تولید کنند. هنگامی که باد می وزد، برق تولید شده توسط سیستم، نیاز به برق را جبران می کند.

3- انرژی زمین گرمایی؛ نیرو از زمین

انرژی زمین گرمایی از گرمای زمین حاصل می شود. این گرما را می توان نزدیک به سطح زمین یا از سنگ های گرم و مخازن آب گرم واقع در بستر زیرین زمین تأمین کرد. این منبع در واقع یکی از جدیدترین روش های نوین تأمین انرژی پاک محسوب می شود.

نیروگاه های زمین گرمایی این منابع گرما را برای تولید برق مهار می کنند. در مقیاس بسیار کوچکتر، یک سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی می تواند از درجه حرارت ثابت زمین که فقط 10 فوت در زیر سطح قرار دارد، استفاده کند تا در زمستان به تأمین گرما در یک ساختمان نزدیک به این منطقه کمک کرده یا در تابستان، آن را خنک کند.

انرژی زمین گرمایی می تواند بخشی از یک راه حل انرژی تجاری سودمند در مقیاس بزرگ باشد. استفاده مستقیم از انرژی زمین گرمایی شامل تأمین منابع گرمایش ساختمان های اداری یا کارخانه های تولیدی می باشد. کمک به رشد گیاهان گلخانه ای، تأمین آب گرم در مزارع پرورش ماهی و کمک به فرآیندهای مختلف صنعتی (به عنوان مثال، تهیه شیر پاستوریزه) نمونه ای از کاربردهای این منبع است.

4-منبع انرژی آب

نیروگاه برق- آبی پدیده جدیدی نیست. امروزه انرژی جنبشی رودخانه های جاری به روشی کاملاً متفاوت دریافت شده و به برق تبدیل می گردد. احتمالاً رایج ترین نوع نیروگاه برق- آبی توسط سیستمی تولید می شود که در آن، سدها برای ذخیره آب در مخزنی ساخته می شوند تا وقتی رها می گردند، از توربین ها برای تولید برق جریان پیدا کنند.

نوع دیگر از این روش های نوین تأمین انرژی پاک، “انرژی برق- آبی رودخانه ای” نامیده می شود. در این روش، بخشی از جریان رودخانه را از کانال عبور می دهند و نیازی به ساخت سد ندارد.

استفاده مستقیم از نیروی برق- آبی به طور طبیعی به موقعیت جغرافیایی یک منطقه بستگی دارد. با فرض در دسترس بودن و در دسترس بودن منبع آبی، می توان نیروگاه های کوچک برق برای تأمین برق مزرعه داری یا شهرداری های کوچک احداث کرد.

5-تأمین انرژی برق از اقیانوس

دو نوع روش های نوین تأمین انرژی پاک وجود دارد که می تواند توسط اقیانوس تولید شود: انرژی گرمایی حاصل از گرمای خورشید و انرژی مکانیکی ناشی از حرکت جزر و مد و امواج.

انرژی گرمایی اقیانوس را می توان با استفاده از چند سیستم مختلف که به درجه حرارت آب سطح گرم وابسته هستند، به برق تبدیل کرد. “انرژی مکانیکی اقیانوس” از سواحل و جزر و مدهای ناشی از چرخش زمین و تأثیر گرانشی ماه تأمین می شود.

از آب سرد اقیانوس از اعماق زیر سطح می توان برای خنک سازی ساختمان ها استفاده کرد (با نصب تجهیزات آب شیرین کن که غالباً به عنوان محصول جانبی تولید می شود)

انرژی اقیانوس، یک منبع در حال تکامل تولید انرژی های نوین و تجدیدپذیر است. با بیش از 70 درصد سطح کره زمین که توسط اقیانوس پوشیده شده، بسته به موقعیت جغرافیایی و دستورالعمل های نظارتی در آینده، این مورد از روش های نوین تأمین انرژی پاک امیدوار کننده به نظر می رسد.

 

6- روش های نوین تأمین انرژی پاک مبتنی بر هیدروژن: انرژی زیاد / آلودگی کم

هیدروژن (متشکل از یک پروتون و یک الکترون) ساده ترین و فراوان ترین عنصر در جهان است. این ماده در ترکیبات آلی (هیدروکربن ها مانند بنزین، گاز طبیعی ، متانول و پروپان) و آب یافت می شود. هیدروژن یکی از جدیدترین روش های نوین تأمین انرژی پاک است و همچنین می تواند تحت برخی شرایط توسط برخی از جلبک ها و باکتری ها با استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی تولید شود.

هیدروژن دارای انرژی زیادی است و در هنگام سوختن، آلودگی کمی ایجاد می کند یا تقریباً هیچگونه آلودگی ایجاد نمی کند. از دهه 1950 از هیدروژن مایع برای پرتاب شاتل های فضایی و موشک های دیگر به مدار استفاده می شده است. سلول های سوختی هیدروژن، انرژی شیمیایی قابل توجهی را از هیدروژن تولید کرده و به الکتریسیته تبدیل می کنند و تنها محصول فرعی، آب و گرمای خالص است.

آشنایی با سامانه نوین تامین انرژی سانیوا