بایگانی‌ها مقالات

راه حل باتری های فلز-هوا برای خودروهای برقی

جولای 5, 2021/0 دیدگاه /در مقالات /توسط Fidix

حل چالش استفاده از خودروهای برقی درکشور با سانیوا(نسل جدید باتری ها)

امروزه براساس گزارش ها، بزرگترین چالش خودروهای برقی تامین و مداومت انرژی است. باتری های فلز-هوا با قابلیت های ویژه خود می توانند این مشکل را حل کنند. سانیوا نسخه ایرانی باتری های فلز-هواست.

این روزها بحث جایگزینی خودورهای برقی با خودروهای بنزینی بسیار مطرح هست.

اما برای ورود این فناوری به کشور ما و فراگیر شدن آن موضوعاتی وجود دارد؛ از جمله چالش جایگزینی با خودروهای بنزینی به علت پایین بودن قیمت سوخت در کشور، چالش های زیست محیطی، تامین انرژی و عدم پذیرش اجتماعی این خودروها در داخل کشور.

سوخت فسیلی ارزان در کشور، مانع اقبال عمومی به خودروهای برقی

درمورد امکان جایگزینی خودروهای برقی با خودروهای معمولی، با توجه به قیمت بسیار پایین سوخت‌های فسیلی در کشور و همچنین قیمت بالای تامین انرژی این خودروها شاید به راحتی نتوان آن ها را جایگزین خودروهای فعلی نمود.این در حالیست که کشور ما به علت تولید و استفاده از سوخت های فسیلی سهم بالایی در آلودگی های محیط زیستی دارد و باید به دنبال راه های نوین و پاک تامین انرژی بود.

تامین انرژی خودروهای برقی در طول مسیر

خودروی های برقی در حال حاضر به علت مداومت انرژی پایین باتری های به کار رفته در آن ها، نیاز به زیرساخت های شارژ در فواصل مشخص و کوتاهی دارند.

سال ها پیش با ورود خودروهای دوگانه سوز و گاز سوز به بازار نیز ما با چالش جایگاه های تامین انرژي مواجه شدیم و شاهد صف های طولانی و عدم وجود زیرساخت های مناسب برای آن ها بودیم. این درحالی اتفاق افتاد که زمان شارژ خودروهای گازسوز و بنزینی درحد چند دقیقه می باشد همچنین تاحدود زیادی زیرساخت های آن ها مشابه بود. با افزایش این زمان به چندین ساعت در خودروهای برقی و همچنین عدم وجود زیرساخت مشابه در گذشته، درباره این خودروها با چالش های بیشتری روبرو خواهیم شد. علاوه براین، در ایستگاه های شارژ برقی به علت وجود باتری های لیتیومی( باتری خودروهای برقی) در صورت عدم کنترل دما شاهد انفجارهای مهیبی خواهیم بود که خطر استفاده از این خودروها را افزایش می دهد.

در حال حاضر در کشور تنها یک ایستگاه شارژ برق وجود دارد که برای موتورسیکلت های برقی می باشد.

همچنین در کشورهای پیشرفته مانند آمریکا نیز تعداد این ایستگاه ها چندان نیست. در مجموع می توان گفت مسئله ایستگاه های شارژ و از سوی دیگر فواصل زمانی کوتاه برای شارژ مجدد از مهم ترین مسائلیست که صنعت خودروهای برقی را با چالش روبرو کرده است.

خودروهای برقی و چالش محیط زیست

موضوع دیگری که درباره خودروهای برقی وجود دارد مسئله محیط زیست می باشد. در حال حاضر این خودروها از باتری های لیتیومی بهره می‌برند که دارای آلودگی های محیطی بسیار می باشند و آسیب جدی به محیط زیست وارد می کنند. در حال حاضر یکی از مطرح ترین پروژه ها در دنیا بازیافت این باتری ها جهت کاهش آلودگی آن ها می باشد.

چالش مهم دیگر ورود این خودروها به ایران، بعد اجتماعی آن هاست

شاید بتوان گفت در کشورهایی همانند چین و ژاپن پذیرش فناوری های نوین و جایگزینی آن ها با نسل های قدیمی تر راحت تر انجام می شود و با اقبال عمومی مواجه می شود. اما در کشورهایی مانند ایران که هم اکنون نیز در برخی روستاها و شهرها از تجهیزات و خودروهای دو الی سه نسل قبل همچنان استفاده می شود، پذیرش ابزارها و تجهیزات نوین به ویژه خودروهای برقی و جایگزینی آن ها با مشکل روبرو شود.

این در حالیست که به علت وجود تعهد پاریس و جرایم سنگین در نظر گرفته شده، کشور موظف به کاهش آلودگی های زیست محیطی می باشد. در صورت عدم اجرا، کشور متقبل هزینه های سنگینی خواهد شد. جایگزینی خودروهای خودروهای برقی یکی از راه حل های این موضوع است.

باتری های فلز-هوا ر اه حلی برای مشکلات خودروها

باتری های فلز-هوا به علت تفاوت نوع شارژی که با باتری های لیتیومی دارند(باتری های استفاده شده در خودروهای برقی) می تواند، فواصل زمانی شارژ مجدد خودروهای برقی را که در حال حاضر هر 300 کیلومتر با می باشد، به ۱۲۰۰ کیلومتر افزایش می‌دهد. در واقع کاربر در طول مسیر نیازی به شارژ مجدد خودروی خود نخواهد داشت.

همچنین شارژ این باتری ها با زیرساخت های موجود در کشور میسر است و نیازی به ایستگاه های شارژ مجزا و پیچیده ندارند و ایمن هستند.

از سوی دیگر در ساخت باتری های فلز-هوا و الکترولیت آن ها از موادی کاملا سازگار با محیط زیست استفاده شده است که باعث می شود این باتری ها آلودگی زیست محیطی نداشته باشند. همین امر سبب می شود تا استفاده از این باتری ها در خودورهای برقی، به نوبه خود با کاهش آلودگی های محیط زیستی به شکل قابل توجهی در انجام تعهدات معاهده پاریس نقش داشته باشد.

در واقع می توان گفت به طور کلی،‌ در صورت تجاری سازی باتری های فلز-هوا بزرگترین چالش خودورهای برقی در دنیا که مسئله شارژ و مدوامت انرژی می باشد، حل خواهد شد و شرایط ورود این فناوری و استفاده از آن را در کشور بسیار آسان خواهد نمود.

در حال حاضر شرکت های بزرگی در دنیا مشغول تحقیق و توسعه این باتری ها می باشند که در ایران نیز به همت دانشمندان جوان کشورمان فناوری باتری های فلز-هوا در پروژه ای به نام سانیوا بومی سازی شده است.

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

می 15, 2021/2 دیدگاه /در مقالات /توسط Fidix

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.

فناوری باتری آلومینیوم هوا (Aluminium–air battery) و اساس عملکرد آن

می 8, 2021/3 دیدگاه /در مقالات /توسط Fidix

باتری آلومینیوم هوا (Al–air) به دلیل تراکم بالای انرژی، 8.1 کیلووات ساعت در کیلوگرم که به طور قابل توجهی بزرگتر از باتری های یون-لیتیوم است که برای برنامه های ذخیره سازی انرژی در آینده بسیار امیدوار کننده خواهد بود.

بررسی اصول و شناخت چالش های مربوط به ساخت باتری آلومینیوم هوا از نظر اجزای تشکیل دهنده آن از جمله آندهای آلومینیوم، الکترولیت ها و کاتدهای هوا ضرورت دارد. در این مطلب به طور اجمالی به این نکات می پردازیم.

مقدمه ای بر باتری آلومینیوم هوا (Al–air)

تغییرات شرایط آب و هوایی به یک مشکل حاد محیط زیست تبدیل شده است و یکی از دلایل اصلی آن مقادیر عظیم گاز CO2 منتشر شده در محیط زیست در اثر رشد بی رویه جمعیت و فعالیت های انسانی است. یک روش برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، کاهش مصرف نفت به عنوان یک منبع انرژی است؛ این کار صرفاً می تواند از طریق توسعه منابع انرژی تجدید پذیر و پایدار برای وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی الکتریکی دنبال شود.

توسعه باتری های کم هزینه با پتانسیل انرژی بالا یک موضوع جالب برای تحقیق و تولید در آینده است. در حال حاضر، باتری یون- لیتیوم (LIB)، پیشرفته ترین و کاربردی ترین فناوری برای تولید، از باتری های ثانویه در مقیاس کوچک گرفته تا باتری های بزرگ، محصوب می شود. با این حال، هزینه های LIBs به عواملی همچون هزینه مواد اولیه شامل مواد فعال کاتد و آند، جداکننده ها و الکترولیت ها بستگی دارد.

علاوه بر این، استفاده گسترده از باتری های یون-لیتیوم در خودروهای الکترونیکی با اشکالاتی مانند ایمنی، محدوده رانندگی، زمان آهسته شارژ شدن و وزن سنگین بسته های باتری مواجه می شود.

به علاوه، چگالی انرژی کاتد در باتری های یون-لیتیومی از 140 تا 350 میلی آمپر در ساعت با کاتد اکسید و 370 تا بیش از 2000 میلی آمپر در ساعت برای آندها بسته به مواد (به عنوان مثال، گرافیت و سیلیکون)، است که منجر به ظرفیت متفاوت سل های LIB می شود. این مقادیر از 100 تا 250 کیلووات ساعت است که تقاضای انرژی و چگالی زیاد انرژی را نمی تواند پاسخگو باشد.

اگرچه تلاش های چشمگیری در جهت بهبود LIBs جهت تأمین ظرفیت بیشتر برای تأمین انرژی انجام شده است، استراتژی های جایگزینی نیز شامل طراحی و تولید باتری های قابل شارژ جدید با تراکم انرژی کافی برای کاربردهای آینده، ارائه شده است. باتری آلومینیوم – هوا یکی از این موارد است.

باتری های فلز – هوا طی دهه گذشته به دلیل چگالی و ظرفیت بالای انرژی و همچنین هزینه های نسبتاً کم آنها به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند. چگالی انرژی در این باتری ها در مقایسه با باتری های فلزی – هوایی می تواند 2 تا 40 برابر بیشتر باشد.

از بین انواع مختلف باتری های فلز-هوا، باتری های هوا با فلزات Li ، Na ، K ، Zn ، Mg ، Fe ، Si و Al مورد مطالعه قرار گرفته اند. به طور کلی، باتری های فلزی – هوا از یک آند فلزی، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده اند و دارای انرژی بالایی هستند.

لیتیوم در محیط های مرطوب، بی ثبات است و به راحتی در جو اکسید می شود. بر همین اساس تولید باتری های قابل شارژ، سخت تر است. از این جهت، فلزات روی (Zn) و آلومینیوم (Al)، از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست، نسبتاً ایمن هستند و با میزان فراوان در دسترس هستند. به ویژه، Al می تواند در جهان مدرن به مقدار زیاد بازیافت شود.

علاوه بر این، باتری آلومینیوم هوا دارای ولتاژ نظری بالا (2.7 ولت) و تراکم انرژی (8.1 کیلو وات ساعت در کیلوگرم) هستند که بعد از لیتیوم، در گروه باتری های مختلف فلز- هوا در رتبه دوم قرار دارند.

ساختار اصلی باطری آلومینیوم-هوا به طور کلی از یک آند آلومینیوم، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده است. الکترولیت هایی که برای باتری های آلومینیوم- هوا استفاده می شود محلول های آبی هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا کلرید سدیم (NaCl) است که در آنها واکنش های الکتروشیمیایی در الکترولیت های قلیایی در الکترودها را می توان به شرح زیر بیان کرد:

در مورد الکترولیت هایی با pH خنثی مانند کلرید سدیم، واکنش Al به دلیل وجود گونه های مخلوط روی سطح Al کاملاً روشن نیست. این گونه ها معمولاً Al-Al2O3-Al(OH)3-H5AlO4 و سایر گونه های پیچیده هستند. با در نظر گرفتن مورد دوم، گسترده ترین واکنش به شرح زیر شرح داده می شود:

نگاهی به تاریخچه ابداع باطری آلومینیوم-هوا

باتری آلومینیوم هوا اولین بار در سال 1962توسط زارومب (Zaromb) و همکاران پیشنهاد شدند. به دنبال آن، تلاش شد تا آنها در انواع سیستم های ذخیره انرژی از جمله منابع انرژی EV، برنامه های کاربردی وسایل نقلیه هوایی (و تجهیزات زیر آب) بدون سرنشین و سیستم های ارتباطات نظامی استفاده شوند.

در سال 2016، محققان نشان دادند که یک EV (سیستم های نقلیه الکتریکی) می تواند با استفاده از باتری آلومینیوم – هوا با وزن 100 کیلوگرم، بیش از 3000 کیلومتر رانندگی کند. با این وجود، باتری آلومینیوم-هوا هنوز هم برای کاربرد عملی، چالش های بسیاری دارند؛ مشکلاتی نظیر مانند تجمع محصولات جانبی Al(OH)3 و Al2O3 که می توانند واکنش های الکتروشیمیایی باتری آلومینیوم – هوا را سرکوب کنند.

باتری آلومینیوم – هوا به دلیل ظرفیت بالای انرژی دارای پتانسیل بالا برای کاربردهای عملی است. به طور کلی، تمرکز توسعه آندهای ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم و Al خالص، برای جلوگیری از خوردگی خود به خودی و تشکیل فرآورده های جانبی توصیه شده است.

در مورد الکترولیت ها، آنها اجزای حیاتی تعیین کننده قابلیت شارژ مجدد باتری های آلومینیوم-هوا هستند. مواد افزودنی الکترولیت نیز مسئله مهمی است زیرا می تواند باعث بهبود فرآیند خوردگی و تکامل هیدروژن برای بهبود خواص الکتروشیمیایی شود.

علاوه بر این، الکترولیت های جامد مختلف با وجود ظرفیت های انرژی ضعیف تر، در مقایسه با الکترولیت های مایع، به دلیل وجود امپدانس زیاد و رابط بین الکترودها و الکترولیت های جامد، مورد بررسی قرار گرفته اند.

مواد کاتد هوا نیز اجزای مهمی هستند که می توانند به طور قابل توجهی بر خصوصیات کلی این باتری ها تأثیر بگذارند. اگرچه کاتالیزورهای مبتنی بر پلاتین، فعلاً امیدوار کننده ترین ماده کاتالیزوری هستند اما هزینه بالای آنها و کمبود منابع، مانع کاربرد آنها می شود. تحقیقات به گونه ای دنبال می شود که بتوان موارد جایگزین را برای پلاتین استفاده کرد.

علاوه بر این، کاتالیزورهای اکسید فلز شامل پروسکیت ها (perovskites)، مواد بلوری اسپینل (spinel)، فلزات و نیتروژن و همچنین مواد کاتالیزوری کربن دار با دو اتم مختلف نیز نوید بخش هستند.

علاوه بر این، مطالعات نشان داده است که مواد غیر اکسید مانند نیتریدهای فلزی، کاربیدها، نقاط کوانتومی پایه کربن و کاتالیزورهای تک اتمی نیز می توانند به عنوان مواد کاتالیزوری نسل بعدی در باتری آلومینیوم-هوا استفاده شوند.

به طور کلی از آنجا که ظرفیت این نوع باطری ها، بسیار بیشتر از باتری های یون-لیتیوم است، تولید باتری های قابل شارژ هوا از اهمیت بالایی برخوردار است و می تواند در طراحی سیستم های انرژی شبکه هوشمند استفاده شود؛ این باتری ها قابل شارژ همچنین می تواند به طور عملی در وسایل نقلیه برقی استفاده شود تا آینده ای سازگار با محیط زیست را تقویت نماید.

این مقاله از اینجا اقتباس شده است.
[WPSM_AC id=7403]

ساختار باتری های لیتیوم یون (Lithium-ion battery) و مقایسه آن با باتری های فلز هوا

آوریل 30, 2021/4 دیدگاه /در مقالات /توسط Fidix

باتری های لیتیوم یون (Lithium-ion battery) باطری‌های بسیار محبوبی هستند که کاربرد گسترده‌ای در وسایل الکترونیکی شارژی مثل لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های موبایل دارند. این باتری‌ها چگالی انرژی بسیار زیادی و در حدود ۱۰۰ الی ۲۵۶ وات بر کیلوگرم دارند که تقریبا ۲ برابر چگالی انرژی باتری‌های نیکل-کادمیوم است.

معرفی این باطری ها (LIB) را می‌توان انقلابی در صنعت تولید باتری‌های وسایل الکترونیکی قلمداد کرد که خیلی از مسائل را حل کرده است. امروزه به لطف این باتری ها می‌توانید یک گوشی هوشمند پر مصرف را حداقل ۲۴ ساعت بدون شارژ کردن استفاده کنید یا اینکه با یک دوربین عکاسی DSLR ساعت‌ها در طبیعت به عکاسی بپردازید و نگران تمام شدن شارژ باتری نباشید.

دیگر مزیت قابل توجه باتری‌های لیتیوم-یون، وزن پایین آن‌هاست که به ویژه در مورد دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مثل دوربین‌های عکاسی و گوشی‌های موبایل، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. وزن این باتری‌ها نسبت به باتری‌هایی که قبلا در ساخت این وسایل استفاده می‌شد، حدود ۸۰ درصد پایین‌تر است. حجم پایین این باتری‌ها نیز امکان ساخت ابزارهای الکترونیکی بسیار کوچک تر و قابل‌حمل‌تر را فراهم آورده است.

مکانیسم عمل باطری‌ لیتیم یون (LIB)

باتری‌های لیتیم یونی، سلول‌هایی الکتروشیمیایی هستند و بنابراین دارای سه قسمت کاتد یا الکترود مثبت، آند یا الکترود منفی و الکترولیت می‌باشند. معمولا در ساخت باتری‌های لیتیم-یونی از گرافیت برای ساخت آند استفاده می شود. این باتری ها دارای آند گرافیتی بیشترین کاربرد را در ساخت دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل دارند زیرا گرافیت وزن پایینی دارد.

در انواع مختلف باتری لیتیوم-یونی، مواد مختلفی برای ساخت کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرند که پرکاربردترین آن‌ها، اکسید کبالت منیزیم است. از این ماده به عنوان کاتالیزور در کاتد باتری‌های فلز-هوا نیز استفاده می‌شود.

برای ساخت کاتد باتری لیتیم یون می‌توان از مواد دیگری مثل اکسید لیتیوم منیزیم که در باتری‌های مورد استفاده در خودروهای هیبریدی و خودروهای برقی استفاده می‌شود و فسفات آهن لیتیوم استفاده کرد.

الکترولیت‌های مورد استفاده در باتری لیتیوم-یونی، نمک‌های لیتیوم محلول در حلال‌های آلی و به ویژه اتر هستند.

در شکل فوق یک باتری لیتیوم-یون دارای کاتد اکسید لیتیوم کبالت را مشاهده می‌کنید. این باتری ها نوعی باتری ثانویه محسوب می‌شود. باتری‌های ثانویه به باتری‌هایی گفته می‌شود که قابلیت شارژ شدن داشته باشند.

سازوکار این باتری‌ها به این شکل است که در هنگام فرایند شارژ شدن، همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌کنید، یون‌های لیتیوم دارای بار مثبت از الکترود مثبت جدا شده و پس از عبور از الکترولیت، به الکترود منفی که در این مورد، از نوع گرافیتی است، می‌رسند.

زمانی که همه‌ی یون‌های لیتیوم موجود به آند مهاجرت کرده باشند، باتری کاملا شارژ شده است و واجد انرژی ذخیره شده‌ی الکتریکی است. در هنگام شارژ شدن، منبع برق خارجی، نیروی لازم را برای حرکت کاتیون‌های لیتیوم به آند فرآهم می‌آورد و اختلاف پتانسیل لازم برای عملکرد باتری را بین الکترودها تأمین می‌کند.

هنگامی که باتری مورد استفاده قرار می‌گیرد و تخلیه‌ی شارژ شروع می‌شود، اتفاقی که در باتری لیتیوم-یون می‌افتد این است که یون‌های لیتیوم به سمت کاتد بر می‌گردند و زمانی که دیگر یونی باقی نماند که از آند به کاتد برود، شارژ باتری کاملا تخلیه شده است.

در طول فرایند خالی شدن شارژ که اصطلاحا دشارژ شدن باتری نام دارد، الکترون‌ها به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی از آند به سمت کاتد جریان می‌یابند ولی نه از طریق الکترولیت، بلکه از طریق مدار خارجی و در نتیجه جریانی از الکترون‌ها انرژی الکتریکی لازم برای عملکرد وسیله‌ی الکترونیکی را فرآهم می‌آورد.

مقایسه‌ی باتری‌های لیتیم یون(Lib) با باتری فلز-هوا (Metal–air)

اگر بخواهیم باتری‌ لیتیوم-یون را با باتری هوا-فلز مقایسه کنیم، می‌توانیم بگوییم که چگالی انرژی این باتری‌ها بالا و در حدود ۱۰۰ الی ۲۶۵ وات بر کیلوگرم است ولی بیشتر از باتری‌های هوا-فلز نیست که چگالی انرژی آن‌ها به میزان شگفت انگیز ۱۱۰۰ تا ۵۲۰۰ وات بر کیلوگرم می رسد؛ به این معنی که شارژ بیشتر در خود ذخیره می‌کنند.

به علاوه، این باتری‌ها عمری طولانی دارند و سال‌ها به خوبی کار می‌کنند. نکته‌ی دیگری که سب استفاده‌ی گسترده از باتری لیتیوم-یون شده است، تعویض راحت آن می‌باشد که همانطور که در باتری‌های گوشی‌های همراه می‌بینید، هرکسی می‌تواند آن را انجام دهد.

باتری‌های لیتیوم-یون باوجود اینکه باتری‌هایی سبک محسوب می‌شوند ولی در مقایسه با باتری‌های هوا-فلز وزن بالاتری دارند. برای استفاده از این باتری‌ها حتما باید یک مدار به سیستم اضافه شود و شکل آن‌ها نیز محدود به شکل مستطیلی است. به علاوه، به دلیل واکنش‌پذیری بالای لیتیوم، در صورت استفاده‌ی نامناسب، امکان انفجار این باتری‌ها دور از انتظار نیست. نکته‌ی منفی دیگر در مورد باتری‌های نوع لیتیوم-یون، زمان شارژ شدن نسبت بالای آن‌ها می‌باشد.

باتری‌های هوا-فلز محیط زیست را آلوده نمی‌کنند و وزن و چگالی آن‌ها نیز از باتری‌های لیتیوم-یون کمتر است. زمان شارژ این باتری‌ها خیلی پایین است و ایمنی بسیار بالایی داشته و به هیچ وجه قابلیت انفجار یا اشتعال ندارند. این باتری‌ها را می‌توان پس از پایان عمرشان بازیافت کرد و البته دسترسی به مواد اولیه‌ی آن‌ها نیز خیلی خیلی راحت است.

هزینه‌ی ساخت باتری‌های هوا-فلز نسبت به هزینه‌ی ساخت باتری‌های لیتیوم-یون بالاتر است. به ویژه اگر در ساخت آن‌ها از کاتالیست‌هایی از جنس فلزات گران‌بها استفاده شود. قابلیت پلاریزاسیون نیز یکی از مشکلات باتری‌های نوع فلز-هوا است که در باتری لیتیوم-یون مشاهده نمی‌شود.

گاهی اوقت کانال‌های کاتد به دلیل وجود اکسیدهای فلزی که در الکترولیت حل نمی‌شوند، مسدود می‌شود. این مشکل نیز در باتری‌های لیتیوم-یونی مشاهده نمی‌شود.

به طور کلی می‌توان گفت که باتری‌های هوا-فلز در صورتی که هزینه‌های ساختشان پایین‌تر بیاید گزینه‌های مناسب‌تری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. چگالی انرژی این باتری‌ها برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل بسیار عالی است. تصور کنید با یک بار شارژ باتری گوشی خود، چندین هفته نیازی به شارژ کردن مجدد نخواهید داشت. به علاوه می‌توانید از منفجر نشدن گوشی خود نیز مطمئن باشید!