باتری فلز هوا (Metal–air) چیست؟ انواع، ساختار و مزایای آن

با گسترش تجهیزات و وسایل الکتریکی و الکترونیکی، موضوع منابع تغذیه و تامین توان الکتریکی مورد نیاز از طریق باتری های فلز هوا، به یکی از لبه های فناوری و موضوعات در دست بررسی محققان و پژوهشگران تبدیل شده است.

عمر مفید بالا، قابلیت شارژ مجدد برای تعداد دفعات بسیار زیاد، توان الکتریکی قابل‌توجه در واحد وزن، سرعت کم افت کیفیت، سرعت اندک تغییرات در ویژگی های شیمی الکتریکی باتری و غیره، همه و همه از نکاتی است که باتری های مختلف و اصول عملکرد متفاوت آنها را در مقایسه با یکدیگر قابل ارزیابی می نماید.

در این بین، باتری فلز هوا یکی از موضوعات سرآمد مستقر در لبه دانش و فناوری است؛ این باتری ها یک سلول الکتروشیمیایی هستند که آند از فلز خالص و کاتد خارجی آن، هوای محیط – که مملو از اکسیژن است – در نظر گرفته می شود و با الکترولیت آبی کار می کند.

باتری فلز هوا در هنگام دشارژ و تخلیه و تحویل توان الکتریکی، آند فلزی خود را اکسید می کند و در تعامل با کاتد هوای محیطی، یک واکنش اکسیداسیون را سبب می شود.

در انتخاب فلز مورد استفاده در این باتری ها، توجه به موضوع چگالی انرژی خاص فوق العاده اهمیت دارد؛ موضوع دیگر ولتاژ مدار باز تولید شده توسط این باتری هاست.

انواع باتری های فلز هوا

برخی از انواع باتری های فلز هوا شامل:

• باتری لیتیم هوا
• باتری سدیم هوا
• باتری پتاسیم هوا
• باتری روی هوا
• باتری منیزیم هوا
• باتری کلسیم هوا
• باتری سیلیکون هوا
• باتری آلومینیوم هوا
• باتری آهن هوا

هر یک از فلزات اشاره شده در این باتری ها به صورت تئوری یک چگالی انرژی ویژه با واحد وات ساعت بر کیلو گرم دارد که به ترتیب برای سلول شیمیایی فلز هوا مبتنی بر آلومینیوم، ژرمانیوم، کلسیم، آهن، لیتیوم، منیزیوم، پتاسیم، سدیم و سیلیکون، روی، به ترتیب مقادیر 4300، 1480،، ۲۹۹۰، ۱۴۳۱، ۵۲۱۰، ۲۷۸۹، 935، 1677،4217،1090 با عامل اکسیژن است.

بدون در نظر گرفتن عامل اکسیژن، این اعداد و ارقام چگالی انرژی ویژه تئوری به اعداد ۸۱۴۰، ۷۸۵۰، ۴۱۸۰، ۲۰۴۴، ۱۱۱۴۰، 6462، 1700، 2260، 9036، ۱۳۵۰ تغییر می کند.

باتری فلز هوا مبتنی بر فلزات نامبرده، به ترتیب در شرایط تئوری، به صورت مدار باز و بر حسب ولت، ولتاژهایی به شرح 1.2، 1، 3.12، 1.3، 2.91، 2.93، 2.48، 2.3، 1.6، 1.65 تولید می نمایند.

مقایسه انواع باتری های فلز هوا

در خصوص باتری فلز هوا مبتنی بر لیتیوم لازم به ذکر است انرژی ویژه آن فلز بسیار زیاد و از مرتبه ۳۴۵۸ وات ساعت بر کیلوگرم است. الکترود جامد لیتیوم به عنوان آند، توسط یک الکترولیت آبی در بر گرفته شده و به همراه کاتدی از هوای محیط، تشکیل یک باتری لیتیوم هوا می دهد.

با تغییر نوع الکترولیت ها، انواع مختلف باتری های فلز هوا با خواص مختلف تولید می شود.

در سلول شیمیایی لیتیوم-هوا و در هنگام دشارژ و تخلیه و تحویل توان، یون سوپر هیدروکسید تولید شده که محصول واکنش سلول است، از شارژ مجدد باتری، جلوگیری می کند. در این خصوص و در راستای تجاری سازی، باید این مسئله را حل و فصل کرد.

باتری لیتیوم هوا از لحاظ توان الکتریکی، منحصر به فرد است؛ انرژی دریافتی از باتری لیتیوم هوا، با عملکرد یک موتور دیزلی گازوئیلی برابری می کند. عملکرد و کاربرد و کارایی سلول شیمیایی فلز هوا مبتنی بر لیتیوم، حدوداً ۱۰۰ برابر باتری های یون لیتیوم فعلی است.

برای درک بهتر، با داشتن یک بسته باتری فلز هوا با 250 کیلوگرم در یک خودرو، حدود ۵۰۰ کیلومتر رانندگی میسر خواهد شد. همچنین کارایی باتری لیتیوم هوا، از مرتبه ی ۵ برابر بهتر از کارایی باتری های لیتیوم پلیمر گزارش شده است. مشکل اصلی در باتری لیتیوم هوا، موضوع سیکل شارژ و دشارژ مکرر و متعدد آن است که کاملا حل نشده است.

باتری لیتیوم هوا دارای چگالی انرژی خاص تا سقف 10.000 وات ساعت بر کیلوگرم به صورت تئوری است. فلز لیتیوم به سرعت با آب واکنش نشان می دهد و همین امر سبب شده ساختار هندسی یک سلول شیمیایی فلز هوا لیتیومی با مشابه آن، به عنوان مثال مبتنی بر روی، کاملاً متفاوت باشد.

آنچه باتری لیتیوم هوا را در مقایسه با دیگر جایگزین های فلزی از جمله روی، منحصر به فرد می‌نماید، انرژی و چگالی توان خاص بسیار بالا، قابلیت جداسازی شیمیایی آنها در الکترولیت و قابلیت استفاده از الکترولیت های اسیدی و خنثی است؛ به هر حال باتری فلز هوا به محض فعال شدن پیل، از خورده شدن آند توسط آب و اکسیژن رنج می برند.

در شکل زیر شماتیک یک باتری لیتیوم هوا نمایش داده شده که توان مصرفی خودرو را تامین می کند، همچنین الکترولیت آبی و مسیر الکترونی و کاتد هوایی در شکل نمایش داده شده است.

اکسیژن موجود در هوای محیط، پس از عبور از از کاتد هوایی به داخل الکترولیت آبی رسوخ می نماید. همچنین پوشش کاتد هوایی از کاتالیست ها، که سرعت واکنش را افزایش میدهند، و همچنین لیتیوم اکسید مملوّ شده است.

با توجه به مشکل یون سوپر هیدروکسید در باتری فلز هوا مبتنی بر لیتیوم، استفاده از دیگر فلزات در سلول شیمیایی مورد ارزیابی واقع شده است. به عنوان مثال باتری سدیم هوا تلاش دارد دقیقا بر ناپایداری و بی ثباتی باتری لیتیومی غلبه کند.

سدیم با تراکم انرژی ۱۶۰۵ وات ساعت بر کیلوگرم، چگالی بالایی در مقایسه با لیتیوم ندارد؛  اما در فرایند دشارژ، ترکیب پایداری مانند اکسید سدیم تولید می کند که واکنش های ثانویه ی مخربی ندارد. از طرفی این فرایند و ترکیب، قابل برگشت و قابل تجزیه بوده و باتری سدیم هوا، قابلیت شارژ مجدد را به صورت ذاتی دارد.

با انتخاب الکترولیت مناسب، تا ۱۵۰ سیکل شارژ و دشارژ به صورت باثبات و پایدار، برای باتری سدیم هوا به ثبت رسیده است.

در خصوص باتری پتاسیم هوا، متاسفانه بیش از 2 تا 3 سیکل شارژ و دشارژ گزارش نشده است.

در خصوص باتری فلز هوا مبتنی بر آهن، نتایج و خواص قابل تامل و جذاب است؛  چرا که اکسید آهن یا زنگ زدگی که عرفاً به آن اطلاق می شود، ماده ای فراوان، غیررسمی، ارزان و سازگار با محیط زیست است.

باتری آهن هوا بر اساس واکنش آهن و آب و تولید اکسید آهن به همراه هیدروژن کار می کند. پذیرش اکسید آهن در طبیعت، این امتیاز را به این نوع باتری  می‌دهد که برای ذخیره ی انرژی از منابع تجدیدپذیر و لایزال، مانند انرژی خورشیدی و باد، مورد استفاده گسترده قرار گرفته و بدون انتشار مواد آلوده کننده ی محیط زیست، کار کند.

هیدروژن تولید شده در هنگام زنگ زدگی آهن، می تواند توسط یک پیل سوختی، در کنار اکسیژن برای تولید برق استفاده شود.

در هنگام شارژ و دریافت توان الکتریکی توسط باتری فلز هوا، هیدروژنی که از واکنش آب تولید شده، با کارکردی معکوس در تبدیل اکسید آهن به فلز آهن مصرف می شود.

طبیعتاً با توجه به جا به جایی زیاد و سریع پروتون ها در الکترولیت آبی، این الکترولیت ها عموماً قلیایی یا اسیدی انتخاب می شوند.

باتری فلز هوا مبتنی بر روی، از قاب فلزی که درون الکترولیت هیدروکسید پتاسیم آبی غلیظ قرار داده شده، تشکیل شده است.

با توجه به اینکه باتری فلز هوا در معرض هوای محیط است، یکی دیگر از مشکلات آن، فرایند کربناسیون است که در آن دی اکسید کربن محیط با هیدروکسید فلز موجود، واکنش داده و کربنات فلز را تشکیل می دهد که قابلیت رسوب داشته و می تواند مسیر تبادل اکسیژن را مسدود کند.

در شکل زیر یک باتری فلز هوا با آند فلزی در حضور یک الکترولیت و نیز هوا، که در آن گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن با بخار آب وجود دارد، نمایش داده شده است.

شکل زیر نشان می دهد آند فلزی توسط اکسیژن هوای کاتدی، اکسید شده و توان مورد نیاز خودروی برقی را تامین می شود!

آند باتری فلز هوا

ساختار

در شکل زیر نیز شماتیک مناسبی از یک باتری فلز هوا نمایش داده شده است؛ آند فلزی با رنگ قرمز و الکترولیت با رنگ زرد و کاتد هوایی با رنگ آبی نمایش داده شده است.

در بخش کاتد هوایی، کاتالیست هایی برای تسریع فرآیند تعبیه شده تا اکسیژن موجود در هوا را به سمت کاتد و الکترولیت سوق دهد.

یون های اکسیژن ‌در الکترولیت به سمت آند حرکت کرده و یون های فلزی نیز به سمت کاتد جذب می شوند؛ همین موضوع سبب می شود الکترون های آزاد در مسیر دشارژ در بار الکتریکی مصرف شوند.

در هنگام شارژ، مسیر معکوس می گردد. تعادل سه فازی بین جامد، مایع و گاز در یک باتری فلز هوا رخ می‌دهد؛  به گونه‌ای که الکترون ها از کاتالیست جامد، در کنار اکسیژن در فاز گازی هوا، نهایتاً در الکترولیت مایع تزریق می شوند.

در شکل زیر، شماتیک دیگری از یک باتری فلز هوا نمایش داده شده که همزمان آند لیتیوم و روی، با کاتد مشترک هوا استفاده شده است. باتری با دریافت اکسیژن هوای محیط توسط کاتد مجهز به کاتالیست، مسیر الکتریکی موجود در الکترولیت را به صورت انتقال یون های مثبت لیتیوم از آند و یون های منفی هیدروکسید از کاتد، برقرار می نماید.

باتری فلز هوا با دو آند فلزی

در شکل زیر شماتیکی از یک باتری سدیم هوا نمایش داده شده است؛ در این باتری، فلز با هوای محیط – که از طریق کاتد متخلخل و مجهز به کاتالیست در اختیار الکترولیت آبی قرار گرفته- ترکیب می شود.

به دلیل انتقال بارهای مثبت سدیم از آند به سمت کاتد، جریان معکوس الکترونیکی شکل یافته و نهایتاً ولتاژ مدار باز 2.3 ولت در این باتری تولید می شود.

باتری فلز هوا مبتنی بر سدیم

شارژ و دشارژ شدن

در این بخش می خواهیم نگاهی به فرایند شارژ و دشارژ، دریافت و تحویل توان الکتریکی، یا بارگیری و تخلیه باتری فلز هوا داشته باشیم؛ در مرحله تخلیه، اکسیژن دریافتی از محیط با یون های مثبت لیتیوم، که آزادانه در الکترولیت قابلیت تحرک و جذب توسط کاتد هوایی را دارند، ترکیب اکسیداسیون داده و نهایتاً مسیر الکترون ها از سمت فلز به سمت کاتد هوایی برقرار شده و مسیر دشارژ و تخلیه را شکل می دهد.

آنچه به صورت تئوری و آزمایشگاهی مورد نظر و مطلوب است، این است که در هنگام شارژ، اکسید لیتیوم موجود در کاتد، تجزیه شده و احیا شده و اکسیژن مورد استفاده در قبل را، در اختیار هوای محیط قرار داده و این بار جریان یون های لیتیوم از مسیر الکترولیت آبی به سمت آند حرکت نموده و لاجرم برای حفظ تعادل الکتریکی مسیر معکوس الکترون ها برقرار و فرآیند شارژ به صورت پایدار صورت می پذیرد.

مزایا

• زمان شارژ بسیار کوتاه
  یکی از مزایای باتری فلز _هوا،  سرعت بالای شارژ شدن و زمان اندک برای فرایند دریافت انرژی الکتریکی است
  به عنوان مثال یک باتری لیتیومی یونی با وزن حدود ۲۵۰ کیلوگرم، در صورت شارژ معمولی به حدود ۲۴ ساعت و در موقعیت‌های شارژ سریع، حداقل به ۸ ساعت زمان برای شارژ شدن نیاز دارد. اما این موضوع در خصوص باتری فلز هوا به مقیاس چند دقیقه کاهش پیدا کرده است.

• افزایش چگالی انرژی (۵ برابر)
  چگالی تامین انرژی باتری فلز هوا هم بسیار بالاتر از باتری های فعلی است
  به عنوان مثال باتری های لیتیوم یونی به ازای هر کیلوگرم بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ وات ساعت انرژی تحویل می دهند. باتری فلز هوا مبتنی بر همان فلز تا حدود ۱۲۰۰ وات ساعت برای هر کیلوگرم وزن باتری، انرژی تحویل میدهد.

• کاهش حجم و وزن (۸۰درصد)
  لازم به یادآوری است که در باتری فلز هوا کاتد عملاً وجود ندارد بنابراین وزن باتری کاهش می یابد و کاتد به صورت هوایی و محیطی همواره در دسترس باتری و سلول شیمیایی خواهد بود.

• ایمنی بسیار بالا
  باتری فلز _هوا منفجر یا مشتعل نمی شوند و از این لحاظ ایمنی بسیار بالاترین نسبت به باتری های نسل های قبلی دارند.
• قیمت ارزان تر
  در مقایسه با سایر باتری ها، به خصوص باتری های لیتیوم دار، باتری های فلز- هوا ارزان‌تر هستند چرا که منبع کاتد آنها اکسیژن هوا است که بدون هزینه در دسترس قرار دارد.

• دوستدار محیط زیست
  در ساخت باتری های فلز-هوا از فلزاتی از جمله آلومینیوم، روی، منیزیم استفاده می شود که نه تنها به محیط زیست آسیبی وارد نمی کنند، بلکه اکسید آن‌ها نیز برای خاک مفید است.علاوه بر این سایر موادی که در ساخت این باتری ها استفاده می شود، از جمله الکترولیت باتری های فلز-هوا، از جنس مواد سمی، اسیدی و…نیست؛ بنابراین هیچگونه خسارتی به محیط زیست نمی زنند.

تولید باتری فلز هوا در ایران و پروژه سانیوا

در این بین اقدام طراحان و سازندگان باتری فلز _هوا در تکنولوژی و مواد خام و فلزات، به صورت بومی و به تبع ارزان و قابل دسترس در هر کشور، یک اقدام اساسی است.

همین اقدام اساسی در طراحی و تولید باتری سانیوا، سلول شیمیایی فلز هوا ایرانی و بومی که توسط شرکت نواسی بهینه سازی شده، مدنظر قرار گرفته و عملا تکنولوژی غالب مواد اولیه ساخت آن، کاملاً بومی است.

سانیوا یک باتری فلز هوای ایرانی است که نیمه تجاری سازی شده و ۵ برابر چگالی انرژی باتری های لیتیومی یونی موجود، قابلیت تامین انرژی الکتریکی را دارد.

با توجه به کاربرد گسترده باتری های قابل شارژ در صنایع خودرو، موضوع ایمنی و عدم اشتعال و عدم انفجار در صورت بروز سوانح رانندگی، موضوع حائز اهمیتی است که این زمینه نیز، سانیوا گارانتی بوده و قابلیت انفجار و اشتعال وجود ندارد.

یکی از اصلی ترین کاربردهای این باتری ها در سطح جهان، صنایع خودروست؛ این نوع باتری در صنایع نظامی و همچنین سیستم های پشتیبان و دستگاه های مخابراتی نیز دارای کاربرد گسترده است. به عبارتی کاربرد و زمینه هایی که به انرژی بسیار زیاد پایدار، حتی بدون دسترسی به شارژ مجدد باتری ها نیاز دارند، می توانند از این باتری ها استفاده کنند.

باعث افتخار است همزمان و همراه با فعالیت ابر-شرکت های تکنولوژی جهان و غول های فناوری دنیا، شرکت نواسی نیز در راستای تولید و بومی سازی و تجاری سازی این باتری ها اقدام نموده و پس از تولید نمونه های آزمایشگاهی، درخواست ثبت سفارش برای تجاری سازی محصول خود نیز داشته است؛ امیدواریم در سال ۱۴۰۲ نتایج تجاری‌سازی و توزیع گسترده محصولات گزارش شود.

با توجه به این که کاتد سانیوا با استفاده از اکسیژن موجود در هوا و سپس با باز پس دادن اکسیژن مصرف شده در فرآیند شارژ به محیط، کار می کند، استفاده از تعبیر “تولید انرژی توسط باتری فلز هوا با نفس کشیدن”، تعبیری لطیف، در عین حال فنی است.

[WPSM_AC id=7320]

شاید مطالب زیر هم برایتان جالب باشد:

باتری سدیم یونی، عملکرد و مزایای آن

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