نگاهی بر فناوری باتری روی هوا (Zinc–air battery) و موارد کاربردی آن

باتری روی هوا یک باتری غیر قابل شارژ و سل سوخت روی-هوای قابل شارژ، از انواع باتری های فلز-هوا هستند که از واکنش اکسیداسیون روی در اثر تماس با اکسیژن هوا، انرژی را تأمین می کنند؛ این باتری ها چگالی انرژی بالایی دارند و تولید آنها نسبتاً ارزان است.

کاربردهای باطری روی هوا ( Zinc–air battery)

از باطری روی-هوا می توان برای جایگزینی باتری های 1.35 ولت جیوه ای که منسوخ شده است، استفاده کرد (البته با طول عمر بسیار کمتر)؛ باتری های جیوه ای منسوخ شده در دهه 1970 تا 1980 معمولاً در دوربین های عکاسی و سمعک استفاده می شد.

اندازه سل های این نوع باتری ها کوچک است؛ به حدی که می توان آنها را در سمعک ها استفاده کرد. همچنین ابعاد و اندازه های بزرگ تری از این باتری ها هم وجود دارد که برای دوربین های فیلمبرداری هم مناسب است.

مهم ترین باتری هایی که برای پییشرانه خودروها مورد توجه قرار گرفته است، همین باتری روی هوا است. این باتری ها می توانند انرژی را به میزان مورد نیاز ذخیره کنند.

از کاربردهای دیگر این نوع باطری ها، استفاده در سیستم ذخیره انرژی در تأسیسات است.

کاربرد باتری روی – هوا در پیشرانه خودرو

فلز روی می تواند به عنوان سوخت جایگزین برای وسایل نقلیه یا در ساخت باتری روی-هوا یا برای تولید هیدروژن در محل یک پروژه کاربردی، استفاده شود. ویژگی های Zn باعث شده اهمیت قابل توجهی به عنوان منبع انرژی برای وسایل نقلیه الکتریکی داشته باشد.

علاوه بر مایع، می توان قالب هایی را نیز تولید کرد که برای پمپاژ، به اندازه کافی، کوچک هستند. سلول های سوختی با استفاده از قالب ها می توانند به سرعت، اکسید روی را با فلز روی تازه جایگزین کنند. مواد مصرف شده را می توان مجدداً بازیافت کرد. سل روی – هوا یک سلول اصلی است (اما غیر قابل شارژ است). فرآیند بازیافت برای بازیابی Zn، مفید است. برای بازیابی روی، حجم انرژی، بیش از آنچه در وسایل نقلیه مصرف می شود، مورد نیاز است.

یکی از مزایای استفاده از باتری روی هوا برای پیشرانه خودرو این است که منبع فلز روی در پوسته زمین، 100 برابر بیشتر از لیتیوم است. تولید جهانی فلز روی سالانه برای تولید این باطری ها برای تأمین انرژی بیش از یک میلیارد وسیله نقلیه الکتریکی کافی است؛ در حالی که تولید لیتیوم در حال حاضر برای تولید ده میلیون دستگاه مبتنی بر باتری های یون- لیتیوم کافی است.

این باتری ها مهم ترین رقیب برای باتری ها یون-لیتیوم هستند. برای ساخت و تولید این باتری ها عموماً از کاتالیزورهای گران شامل پلاتین یا اکسید ایریدیوم استفاده می شود. این مسئله موجب شده است قیمت این باتری ها تقریباً گران تر باشد.

تحقیقات برای افزایش کارآیی انواع باتری روی-هوا که با سایر کاتالیزگرها تولید می شوند همچنان ادامه دارد. برخی از اکسیدهای فلزی را می توان برای این کار استفاده کرد. اکسیدهای آهن، کبالت یا نیکل پیشنهاد شده اند اما نباید از مسئله سمی بودن این فلزات هم غافل بود.

برای تثبیت عملکرد در نسل جدید این باتری ها،  باید آنها را بارها و بارها تحت پر شدن و تخلیه شدن قرار گیرند تا ماندگاری و بازدهی آنها اثبات شود.

نگاهی به تاریخچه باتری روی-هوا

اثر اکسیژن در اوایل قرن نوزدهم زمانی شناخته شد که باتری های سل مرطوب Leclanche، اکسیژن اتمسفر را به یک جمع کننده جریان در کاتد کربنی جذب کردند. در سال 1878، یک الکترود متخلخل هوا-کربن پلاتینه شده ابداع شد که همانند دی اکسید منگنز (MnO) در سل لبلانک، عمل می کرد.

ساخت محصولات تجاری با این شیوه در سال 1932 آغاز شد؛ زمانی كه George W. Heise و Erwin A. Schumacher ، سل هایی را ساختند. در این سل ها برای جلوگیری از جریان سیال، الكترودهای كربن را با موم تیمار كردند.

این نوع طراحی هنوز هم برای سل های بزرگ در باتری روی-هوا برای سهولت ناوبری و حمل و نقل ریلی استفاده می شود. با این حال، ظرفیت باتری های فعلی، کم است و سلول ها حجیم تر هستند. سل های قدیمی تر، سرعت عمل کمتری داشتند.

تولید الکترودهای نازک در دهه 1970 بر اساس تحقیقات سل سوختی موجب شد نسل جدید سل روی-هوا برای تجهیزاتی نظیر سمعک ها و دستگاه های پزشکی هم مناسب باشند.

فرآیند تولید انرژی باطری روی هوا

در هنگام تخلیه، توده ذرات روی (Zn)، آند متخلخل را تشکیل می دهد که با یک الکترولیت، اشباع می شود؛ اکسیژن هوا در کاتد واکنش داده و یون های هیدروکسیل را تشکیل می دهد که به درون خمیر روی، مهاجرت می کنند و یون زینکات با فرمول شیمیایی Zn(OH)₄^2- را تشکیل می دهند؛ این، الکترون ها را آزاد می کند تا به کاتد حرکت کنند.

یون زینکات، به اکسید روی تبدیل می شود و آب به مایع الکترولیت باز می گردد. آب و هیدروکسیل از آند، در کاتد بازیافت می شوند، بنابراین آب در این فرآیند مصرف نمی شود. ولتاژ تئوری این واکنش ها، 1.65 ولت است، اما این در سلول های واقعی، این رقم به 1.35تا1.4 ولت کاهش می یابد.

باطری زینک-هوا دارای برخی از خصوصیات سلول های سوختی و همچنین باتری ها هستند؛ روی، یک سوخت است، می توان با تغییر جریان هوا، میزان واکنش را کنترل کرد و خمیر روی / الکترولیت اکسید شده را می توان با خمیر تازه (خمیر Zn) جایگزین نمود.

فرمول های واکنش های شیمیایی در یک باتری روی هوا

معادلات شیمیایی سلول روی – هوا عبارتند از:

واکنش در آند:
Zn + 4OH⁻ → Zn (OH) ₄²⁻ + 2e⁻ (E0 = －1.25 V)

واکنش مایعات:
Zn (OH) ₄²⁻ → ZnO + H₂O + 2OH⁻

واکنش در کاتد:
2/1 O2+ H₂O + 2e− → 2OH⁻ (E0 = 0.34 V pH ＝ 11)

واکنش کلی در باتری روی – هوا:
2Zn + O2 → 2ZnO E0= 1.59 ولت

از باطری روی-هوا نمی توان در یک محفظه نگهدارنده باتری ها، آب بندی شده استفاده کرد زیرا مقداری هوا باید وارد آن شود. برای هر آمپر ساعت ظرفیت، اکسیژن موجود در 1 لیتر هوا، مورد نیاز است.

ظرفیت ذخیره سازی و عمر مفید باتری روی – هوا

سل های روی-هوا در صورت آب بندی برای دور نگهداشته شدن از تماس با هوا از ماندگاری بالایی برخوردار هستند. حتی اگر مهر و موم آنها برداشته نشود، سل های ریز را می توان تا 3 سال در دمای اتاق نگهداری کرد. در این شرایط، مقدار بسیار کمی از ظرفیت از باتری روی-هوا بین می رود. سل های صنعتی در حالت خشک، ماندگاری نامحدودی دارند.

عمر عملکردی یک سلول روی-هوا در باتری تابعی از تعامل آن با محیط آن است. الکترولیت در شرایط دمایی بالا و رطوبت کم، آب را با سرعت بیشتری از دست می دهد. از آنجا که الکترولیت، هیدروکسید پتاسیم است، در شرایط بسیار مرطوب، آب اضافی در سلول تجمع می یابد و باعث کدر شدن کاتد و از بین رفتن خصوصیات فعال آن می شود.

هیدروکسید پتاسیم همچنین با دی اکسید کربن اتمسفر واکنش می دهد. تشکیل کربنات، در نهایت، رسانایی الکترولیت را کاهش می دهد. سل های ریز پس از رها شدن در هوا، ویژگی خود تخلیه شدن دارند. ظرفیت سلول به گونه ای در نظر گرفته شده است تا در طی چند هفته، استفاده شود.