نگاهی به فرآیند ساخت باطری روی هوا

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.