باتری روی هوا (Zinc air battery) چیست؟ ساختار و مشخصات فنی

باتری روی هوا، یکی از دستاوردهای “لکلانشه” در سال 1868 میلادی است؛ اساس عملکرد باتری زینک هوا واکنش فلز روی با اکسیژن” است که استفاده صنعتی بسیاری دارد.

اساس کار کلی باتری روی هوا

باطری روی هوا یا همان باتری زینک هوا عبارت است از یک آند فلز روی و کاتدی از هوا که از ساختار متخلخل عبور می‌کند. ارتباط الکتریکی بین کاتد و آند، توسط الکترولیت اسیدی یا بازی یا نمکی برقرار می‌شود. نهایتاً در مسیر شارژ، با دریافت انرژی از منبع بیرونی، مسیر الکترون‌ها و یون‌های باردار به گونه‌ای شکل می‌گیرد که فلز روی احیا شده و اکسیژن آزاد می‌شود.

در مسیر دشارژ معادلات در جهت از دست دادن انرژی و آزاد سازی الکترون و ایجاد اختلاف پتانسیل است. به گونه‌ای پیش می‌رود که اکسیژن مصرف شده و فلز اکسید شود. در هرحال این باتری دوست دار طبیعت بوده و پسماند خاصی که برای خاک یا محیط زیست مضر باشد، ندارد.

ارزان بودن فرایند ساخت و بالا بودن چگالی ویژه‌ی انرژی از مشخصات این باتری‌ها هستند. کاربردها و ابعاد باطری روی هوا از ابعاد دکمه‌ای در کاربردهایی مانند سمعک، تا ابعاد متوسط در دوربین‌ها، و تا ابعاد بسیار بزرگ در ذخیره سازهای انرژی تجدیدپذیر و پیشرانش خودرو الکتریکی متغیر است.

بسیار امید می‌رود باتری زینک هوا به زودی جایگزین کامل باتری‌های جیوه‌ای شود. در ساختار و عملکرد این باتری ها، میزان آب در الکترولیت ثابت است؛ با افزایش فلوی هوا، می توان تا حدی کارایی باتری را افزایش داد. باید بدانیم که امکان مهر و موم کردن باتری زینک هوا وجود ندارد و اکسیژن موجود در یک لیتر هوا، برای هر آمپر ساعت مورد مصرف خواهد بود.

چگالی ویژه‌ی انرژی باتری روی هوا بسیار بالا است و نیازی به موادی مانند دی اکسید منگنز برای واکنش با روی ندارد. سلول‌های صنعتی باتری زینک هوا که عملا باز هستند و برای احیا و نگهداشت محدودیتی ندارند، عمر بینهایت دارد. نمونه‌های دکمه‌ای در دمای اتاق تا سه سال کاربری خواهند داشت.

الکترولیت این باتری‌ها، در محیط‌های گرم و خشک، آب بیشتری از دست می‌دهد. انتخاب الکترولیت بسیار مهم است. به عنوان مثال الکترولیتی مانند هیدروکسید پتاسیم، سبب نارسانایی تدریجی الکترولیت بر اثر واکنش با دی اکسید کربن هوا می‌شود.

ساختار معادلات شیمیایی باتری زینک هوا

در شکل زیر معادلات شیمیایی واکنش در باطری روی هوا، ارائه شده است. در آند، فلز روی(Zn) با یون هیدروکسید ترکیب شده، هیدروکسید روی و دو الکترون آزاد می نماید. در الکترولیت، هیدروکسید روی به اکسید روی،‌ آب و یون هیدروکسید تبدیل می‌شود. در کاتد، اکسیژن هوا، آب و دو الکترون، سبب تولید یون هیدروکسید می‌شوند.

در آند و کاتد به ترتیب، 1.25- ولت و 0.34 ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می‌گردد. در مجموع آنچه در آند، کاتد و الکترولیت رخ می‌دهد، واکنش روی با اکسیژن و تولید اکسید روی با ایجاد 1.59 ولت اختلاف پتانسیل است.

 برش فرضی باطری زینک هوا

در شکل زیر اجزای مختلف یک برش فرضی از باتری روی هوا، نمایش داده شده است بخش A مربوط به جداکننده، B مربوط به آند پودر روی و الکترولیت، C مربوط به بدنه آند، D گسکت ایزوله‌کننده، E بدنه کاتد، F سوراخ‌ها و معابر هوایی، G کاتالیست کاتد و جمع کننده‌ی جریان الکتریکی، H توزیع کننده‌ی هوا و I مربوط به غشا است.

مسیر الکترون ها

در شکل زیر شماتیک یک باتری روی هوا در مسیر دشارژ نمایش داده شده است. الکترولیت مملوّ از هیدروکسید روی بوده است. یون‌های هیدروکسید از سمت کاتد هوایی به سمت آند روی و یون‌های روی از سمت آند به سمت کاتد در حال حرکت هستند. معادلات شیمیایی و اختلاف پتانسیل حاصل شده نیز نمایش داده شده است.

در مسیر شارژ که در پایین شکل به صورت نمادین نشان داده شده ، مسیر حرکت الکترون‌ها معکوس شده است. برای توازن بار الکتریکی، مسیر حرکت یون‌ها نیز معکوس می‌گردد و معادلات شیمیایی در حضور کاتالیست، معکوس می‌شود.

پیاده سازی کاتالیست‌ها

روش‌های مختلفی برای پیاده سازی آند و کاتالیست کاتد وجود دارد. در عمل، باتری‌های هوا فلز به روش متفاوتی در مقایسه با آنچه در شماتیک‌ها ترسیم می شوند، پیاده سازی می‌شوند. استفاده از انواع آلیاژ ها، کوتینگ‌ها یا پوشش‌ها، توری‌ها و مش‌ها از کربن بدون فلز و … از این قبیل پیاده سازی‌ها هستند.

استفاده در سمعک ها

از گذشته باتری روی هوا  به صورت غیر شارژ شونده در سمعک‌ها و برخی دوربین‌ها کاربرد داشته‌اند. افرادی که سابقه‌ی استفاده از سمعک را دارند، احتمالا از ویژگی جالب Zinc air battery در تامین ولتاژی ثابت برای مدت طولانی شگفت‌زده هستند.

کاربرد باتری روی هوا  در سمعک

در شکل زیر تصاویری از باتری روی هوا  با کاربرد در سمعک و برخی دوربین‌ها نمایش داده شده است.

تنفس با اکسیژن باتری های زینک هوا

در شکل زیر نیز شماتیک یک زینک هوا نشان داده شده است که با دریافت اکسیژن از هوای محیط، مسیر تعادلی یون باردار در الکترولیت و الکترون‌ها در مدار الکتریکی را شکل داده است.

در شکل زیر نیز اجزای یک باتری روی هوا نشان داده شده است. پیش از هر چیز، پوشش دارای سوراخ و  مجرای ورود هوا برای تامین اکسیژن جلب توجه می‌کند. دو تجمیع کننده‌ی جریان منفی و مثبت، بدنه‌ی باتری، الکترود روی و الکترود هوا، الکترولیت و جداکننده نمایش داده شده است.

درشکل زیر ساختار متخلخل کاتد برای ورود هوای حاوی اکسیژن محیطی نشان داده شده است. تعبیر gas diffusion برای این کاتد استفاده شده است.

مشخصات فنی باتری روی هوا

در جدول زیر، برای دو نوع باطری روی هوا، اساس کار شیمیایی، توصیف ابعاد و مقیاس، ظرفیت بر حسب میلی آمپر ساعت، ولتاژ خروجی، وزن بر حسب گرم و ظرفیت ویژه بر حسب میلی آمپر ساعت بر گرم نمایش داده شده است.

اساس کار عملکرد باتری روی هوا واکنش فلز روی با اکسیژن است. این سلول الکتروشیمیایی مانند یک پیل سوختی، قابل شارژ خواهد بود. هر دو گزینه‌ی باتری روی هوا با عناوین پیل سوختی و سلول الکتروشیمیایی، ولتاژی حدود 1.65 ولت ایجاد می نمایند. با این تفاوت که گزینه نخست دارای قابلیت شارژ بوده و گزینه ی دوم غیر قابل شارژ خواهد بود.

 نخستین ها

به یاد داشته باشیم باتری روی هوا فناوری در مراحل پایانی توسعه است و از قدمت کافی و مراحل بلوغ تکنولوژی قابل قبول برخوردار است. در سال 1868 میلادی، لکلانشه نخستین سلول شیمیایی حاوی آند فلز روی آمیخته شده با مخلوطی از دی اکسید منگنز و از سوی دیگر کاتد کربن و الکترولیت کلرید آمونیوم را تجربه نمود.

او در طی تجربه‌ی سلول شیمیایی مذکور، به طور ناخودآگاه سبب ایجاد یک کاتد در معرض هوا و ایجاد محیط سه فازی (گاز- مایع- جامد) شد. بنابراین او ناخواسته اولین باتری زینک هوا را اختراع کرد.

باتری روی هوا در انواع سمعک، نمایشگرهای پرتابل بیمار در ICU یا CCU، ابزارهای دیسپچینگ سیگنال در کاربردهای ترافیک جاده‌ای کاربرد دارد.

شارژپذیری؛ شگرد محققان آلمانی

به هرحال شارژ باتری روی هوا ساده نیست و متوجه اقدامات مکانیکی است. هر چند محققان آلمانی شگردهایی برای شارژ پذیری اراده نموده اند.

این موضوع که آند فلزی پس از اکسید شدن و واکنش با اکسیژن عملا از بین می‌رود شارژ مجدد باتری را متوجه اقدامات مکانیکی و تجدید الکترولیت با موادی مانند تری فلوئورومتان سولفونات روی می‌کند. این الکترولیت غیر قلیایی خلاقانه، امکان شارژ نسبی را فراهم کرده است. نمونه اولیه این باتری، بیش از ۳۲۰ بار شارژ مجدد شده است. هم چنین برای مدت ۱۶۰۰ ساعت مورد بهره برداری قرار گرفته است لذا تعبیر یک رقیب جدی برای باتری لیتیوم یونی، خالی از لطف نیست.

وضعیت پژوهشگران استرالیایی در حوزه باطری زینک هوا

محققان استرالیایی، بر روی یافتن کاتالیست‌ها با استفاده از عناصر فراوان در زمین، که منجر به تولید ارزان و دوستدار طبیعت بودن باتری در عین افزایش کارایی آن می شود، تمرکز دارند.

در شکل زیر یک نمونه باتری روی هوا در محیط آزمایشگاهی نمایش داده شده است.

آند اکسید شده قابلیت واکنش مجدد با اکسیژن را نداشته است. استفاده از الکترولیت / کاتالیست‌هایی با عناصر کمیاب زمین، می‌توانند شرایط واکنش مجدد را فراهم سازد. فلزاتی مانند پلاتین و اکسید ایریدیوم تاثیرات ویژه‌ای در الکترولیت داشته‌اند. به وضوح باید به دنبال گزینه‌های جایگزین ارزان‌تر و فراوان‌تر گشت.

اکنون مسیر تحقیقات به سمت الکتروکاتالیست‌هایی مانند آهن، کبالت و نیکل رفته است. تا با بلورینگی بالاتر، باتری‌هایی با کارایی بیشتر و قابلیت شارژ و وزن کمتر مهیا شود.

این که 60 بار در 120 ساعت شارژ و تخلیه صورت پذیرد و تنها کمتر از 10 درصد از کارایی از دست رود، گویای صحیح بودن مسیر تحقیقات است. هر چند خیلی تفاوت با لیتیوم یونی وجود دارد، اما امید هست جایگزین گردند.

 وضعیت استارت آپ‌های کانادایی در حوزه باتری های زینک هوا

محققان کانادایی تمرکز خود را بر روی باتری روی هوا با کاربرد ذخیره سازی انرژی‌های تجدید پذیر باد و خورشید گذاشته‌اند.

آنها یافته‌اند با قیمت 5 برابر ارزانتر و بدون ریسک انفجار و حادثه، باتری‌های فلزهوا، جایگزین خوبی برای باتری لیتیوم یونی هستند.

همچنین حجم الکترولیت، تا حد زیادی میزان ذخیره سازی را متاثر خواهد کرد. هزینه‌ی مورد نیاز برای ساخت یک مخزن با قابلیت ذخیره ۸ ساعته تنها ۲۵۰ دلار به ازای هر کیلو وات ساعت است. این مقدار برای یک مخزن ۳۲ ساعته به ۱۰۰ دلار به ازای هر کیلو وات ساعت می‌رسد.

برای مخزن ۱۰۰ ساعته تنها نیاز به ۶۰ دلار به ازای هر کیلو وات ساعت هست اما درباره‌ی باتری‌های لیتیوم یونی، برای هر مقدار بیش از ۸ ساعت هزینه‌ای معادل ۳۰۰ دلار به ازای هر کیلو وات ساعت نیاز دارند.

دندریت همان اکسید فلزات است که سطح آند را می‌پوشانند و ممکن است عملکرد باتری را کاملا از کار بیندازد. محققان کانادایی با شگردی که به نحوی فوت و فن استارت‌آپ آنها است، توانسته‌اند با این دندریت‌های اکسیدی مقابله کنند.

وضعیت شرکت های دانش بنیان‌های سنگاپوری

محققان سنگاپوری ظرفیت ویژه انرژی تا 5 برابر بیشتر از باتری لیتیوم یونی دست یافته‌اند.

یکی از مشکلات باتری روی هوا حتی با ایجاد امکان شارژ، زمان طولانی شارژ است که هنوز راه حل مناسب یافته نشده است.

[WPSM_AC id=7327]

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