-
0
سبد خرید
محصول تعداد 0 (ریال)جمع کل
باتریهای روی هوا
باتریهای روی هوا
باتریهای روی هوا
باتریهای روی هوا باتری های روی هوا به دلیل چگالی انرژی بالا، سازگاری با محیط زیست، ایمنی و هزینه کم توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. کاتد هوا یکی از گران‌ترین اجزای سلولی و عامل کلیدی در تعیین عملکرد باتری روی-هوا است. به عنوان سوخت، دسترسی اکسیژن به کاتد هوا توسط سطح انحلال و انتشار آن در الکترولیت تعیین می شود و الکتروکاتالیز در فصل مشترک سه فازی که کاتالیزور، الکترولیت و اکسیژن به هم می رسند، اتفاق می افتد. به حداکثر رساندن عملکرد کاتدهای هوا با طراحی منطقی ساختار کاتالیست از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. تا به امروز، الکتروکاتالیست‌های مختلفی با واکنش کاهش اکسیژن و فعالیت تکامل اکسیژن¬ ساخته شدهاند، از جمله کربن دوپ شده با هترواتم، نیتریدها/اکسیدها/سولفیدهای فلزات واسطه، اکسیدهای پروسکایت، و غیره. محققان بیشتر تلاش میکنند تا الکتروکاتالیست‌ها را در باتری های روی-هوا به کار ببرند. هدف این بررسی، درک بهتر کاتدهای هوا و ارائه رهنمودهایی برای محققان برای طراحی و ساخت کاتدهای با کارایی بالا و استفاده آسان برای باتریهای روی- هوا است.
کاهش سریع سوخت های فسیلی و در نتیجه افزایش هزینه، جوامع پیشرفته ودر حال توسعه را مجبور کرده است که به دنبال برداشت، ذخیره و تبدیل انرژی پایدار باشند. به طور سنتی، باتریهای لیتیوم یونی به دلیل عمر چرخه طولانی، انرژی بالا، امیدوارکننده ترین سیستم برای ذخیره انرژی در نظر گرفته می شوند. با این حال، انرژی ویژه و چگالی انرژی باتریهای لیتیوم یونی پیشرفته هنوز برای خودروهای الکتریکی رضایت بخش نیست، حتی اگر بتوان به ظرفیت نظری مواد الکترود دست یافت. برای مثال، باتری های لیتیوم یون پیشرفته تجاری فعلی دارای چگالی انرژی عملی 100 ~ 150 وات ساعت بر کیلوگرم با کاتد LiCoO۲ و 80 ~ 100 وات ساعت بر کیلوگرم با کاتد LiFePO۴ یا LiMn۲O۴ هستند. که یک مقدار متوسط برای خودروهای برقی فعلی در بازار است، وزن بسته باتری به ۱۰۰۰ کیلوگرم نزدیک می شود یا حتی از آن فراتر می رود تا مسافت رانندگی مشابه خودروهای بنزینی معمولی در هر بار شارژ که ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر در هر باک است به دست آید. بنابراین، نیاز فوری به توسعه دستگاه های ذخیره انرژی با چگالی انرژی بالا وجود دارد.
در باتری های روی-هوا از آنجایی که یکی از واکنش دهنده ها (اکسیژن) در سلول ذخیره نمی شود، اما از محیط به آن دسترسی پیدا می کند، چگالی انرژی به طور قابل توجهی بالاتر از باتری های لیتیوم یونی است. باتریهای فلز-هوا معمولی از یک فلز به عنوان آند، جداکننده آغشته به الکترولیت رسانای یونی و کاتد هوا تشکیل شدهاند. در حین تخلیه، آند فلزی اکسید می شود و یون های فلزی جدا شده را تشکیل می دهد و الکترون ها را به مدار خارجی آزاد می کند. در کاتد هوا، اکسیژن از هوا از طریق الکترود کربن متخلخل پخش می شود، الکترون های تولید شده از آند را می پذیرد و در حضور کاتالیزورها به یک ترکیب حاوی اکسیژن کاهش می یابد. فرآیندها در طول شارژ معکوس می شوند: فلز در الکترود منفی بازیابی می شود در حالی که اکسیژن بازسازی می شود و در سمت مثبت تکامل می یابد. به طور معمول، باتری های فلزی هوا را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد، با توجه به الکترولیت، یکی الکترولیت آبی مانند باتری زوی-هوا، و دیگری الکترولیت آلی برای سیستم های حساس به آب، مانند باتری لیتیوم-هوا.
آندهای فلزی که در الکترولیت‌های آبی ایجاد شدهاند، روی، آلومینیوم و منیزیم هستند که عناصر سبک با فراوانی بالا هستند و باتریهای فلز-هوا مربوطه آنها سازگار با محیط زیست و در نتیجه کم هزینه هستند. سیستم‌های مبتنی بر الکترولیت‌های آبی از الکترولیت‌های ارزان‌تر استفاده میکنند که در این سیستم ها نیازی به محیط عاری از رطوبت وجود ندراد. مقایسه چگالی انرژی باتری های مختلف از جمله باتری های روی-هوا و لیتیوم-هوا در شکل زیر نشان داده شده است.
پیکربندی باتری های روی-هوا
برای سیستم های آبی فلز-هوا، فلزاتی مانند روی، منیزیم، کلسیم، آلومینیوم، آهن و کادمیوم همگی به عنوان آند مناسب هستند. باتریهای روی هوا، به‌ویژه، به دلیل مزایای مختلفی مانند هزینه کم، فراوانی بالا، سازگار با محیط زیست، ولتاژ تخلیه پایدار و ماندگاری طولانی، پتانسیل بالایی برای استفاده به‌عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی جایگزین دارند. چگالی انرژی ویژه باتری های روی-هوا از نظر تئوری ۱۰۸۴ وات ساعت بر کیلوگرم تخمین زده میشود. عملاً از ۲۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم برای باتریهای روی-هوا تجاری تا ۷۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم برای باتری های روی-هوا در مقیاس آزمایشگاهی اندازه گیری شده است.
باتری روی-هوا از سه جزء اصلی الکتروشیمیایی ساخته شده است: آند روی، الکترولیت و یک کاتد کاتالیزوری که اجازه انتشار اکسیژن از هوا به الکترود را می دهد و آن را به یون هیدروکسید تبدیل می کند. علاوه بر این اجزا، یک جداکننده ریز متخلخل نیز وجود دارد که از تماس فیزیکی بین کاتد و آند جلوگیری میکند و یک پوشش سلولی تنفس‌کننده هوا که شامل تمام اجزای سلول است اما به کاتد اجازه دسترسی به هوا را میدهد. نمای شماتیک یک سلول روی-هوا در شکل زیر نشان داده شده است.
باتریهای روی-هوای قابل شارژ الکتریکی را می‌توان با اعمال یک پتانسیل خارجی برای معکوس کردن واکنش‌های الکتروشیمیایی داخل سلول، مانند یک باتری ثانویه معمولی، شارژ کرد. واکنش های الکتروشیمیایی یک باتری روی-هوای قابل شارژ الکتریکی در الکترولیت قلیایی را می توان به صورت زیر نوشت:
در حین کارکرد باتری (دشارژ)، آند روی اکسید می شود:
Zn + 4OH– → Zn(OH)۴۲- + 2e–
Zn(OH)۴۲- → ZnO + H۲O + 2OH
در حالی که واکنش کاتدی کاهش اکسیژن است که می تواند مسیر ۴ الکترونی یا مسیر ۲ الکترونی را طی کند:
O۲ + H۲O + 4e– → 4OH–
یا:
O۲ + H۲O + 2e– → HO۲– + OH–
2HO۲– → 2OH– + O۲
بنابراین واکنش کلی در هنگام دشارژ تبدیل به واکنش زیر می شود:
2Zn + O۲ → 2ZnO
از نظر تئوری واکنش های بالا برگشت پذیر هستند که امکان شارژ الکتریکی باتری روی-هوا را می دهند.
مکانیسم واکنش ORR و OER
دو فرآیند در باتری های فلز-هوا رخ میدهد که به فرآیند های ORR و EOR معروف هستند که این فرآیندها عبارت اند از:
الف) واکنش تکامل اکسیژن (OER) یک واکنش محدود کننده در فرآیند تولید اکسیژن مولکولی از طریق واکنش شیمیایی است، مانند اکسید شدن آب در طول فتوسنتز اکسیژن، الکترولیز آب به اکسیژن و هیدروژن، و تکامل اکسیژن الکتروکاتالیستی از اکسیدها و اگزاسیدها. ب) واکنش کاهش اکسیژن (ORR) یک واکنش اساسی مربوط به رشته های مختلف مانند تبدیل انرژی،احیا شدن آب است. اخیراً توجه ویژه ای بر نقش اساسی آن در سلول های سوختی یا باتری های لیتیوم-هوا متمرکز شده است. مکانیسم این واکنش ها در شکل زیر نشان داده شده است.
آند: الکترود روی
باتریهای روی-هوا از فلز روی خالص به عنوان ماده فعال آند استفاده میکنند، اکسیداسیون روی در هنگام تخلیه رخ می دهد به همین دلیل است که بیشتر مطالعات بر روی بهبود الکترود هوا متمرکز شده اند، نه آند روی. اگرچه سرعت خوردگی روی کندتر از آلومینیوم در محلول قلیایی است، این فرآیند خوردگی گاز هیدروژن (واکنش تکامل هیدروژن (HER) را مطابق با Zn + 2H۲O → Zn (OH)۲ + H۲↑ تولید می کند. بنابراین، منطقی تر است که رفتار الکتروشیمیایی فلز روی را در الکترولیت قلیایی در نظر بگیریم.. از آنجایی که قرار نیست این HER در حین تخلیه اتفاق بیفتد، روش‌های به تعویق انداختن واکنش تکامل هیدروژن به عنوان مهمترین زمینه تحقیقاتی در نظر گرفته شده است: امید بر آن است که بتوان فلز روی را به طور کامل در حین تخلیه مصرف کرد که در نهایت ظرفیت را افزایش میدهد. از آنجایی که فلز روی در هنگام تخلیه در واکنش آند شرکت می کند، عملی ترین روش برای بهبود عملکرد آند روی افزایش سطح ذرات روی است تا روی بتواند با الکترولیت قلیایی به طور موثرتری واکنش دهد.
به طور کلی، هنگام تهیه آند روی بصورت پودر، جیوه به آند روی اضافه می شود تا رسانایی الکتریکی بهتری بین ذرات روی و جمع کننده جریان ایجاد کند. با این حال، حذف جیوه در آند روی، که به دلیل مشکلات زیست محیطی ضروری است، اثرات منفی بر عملکرد تخلیه دارد و منجر به مشکلات نشت مرتبط با گاز هیدروژن و مقاومت در برابر ضربه می شود. این مشکلات را می توان به خوبی با معرفی عوامل ژل کننده مانند کربوکسی متیل سلولزمتقاطع (CMC، کوپلیمرهای نشاسته، پلیمر پلی اکریلیک اسید یا چسباننده های آلی کاهش داد. مولر و همکاران از سلولز به عنوان یک عامل ژل کننده برای بهینه سازی و تثبیت تخلخل الکترود روی استفاده کردند و عثمان و همکاران ژل های هیدروپونیک مانند آگار را برای افزایش قابلیت ذخیره الکترولیت معرفی کردند.
هنگامی که یک آند روی متخلخل با یک الکترولیت قلیایی واکنش می دهد، اثر خوردگی فلز روی می تواند معیار دیگری برای تثبیت آند روی با سطح بزرگ باشد. تکامل هیدروژن روی سطح آند روی، کارایی استفاده از روی را کاهش میدهد و در نتیجه باعث افزایش فشار داخلی در سلول و الکترولیز آب میشود. این واکنش های جانبی در نهایت سبب کاهش عمر چرخه باتری روی-هوا می شود. دو روش برای غلبه بر تکامل هیدروژن در باتری های روی-هوا مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی آلیاژ کردن روی با فلزات دیگر است(Hg، Pb و Cd) با این حال، این فلزات سنگین سمی باعث ایجاد مشکل زیست محیطی دیگری می شوند. روش دیگر برای سرکوب تکامل هیدروژن پوشاندن فلز روی با مواد دیگر است. چو و همکاران پیشنهاد کرد که سطح روی پوشش داده شده با Li۲O-2B۲O۳ لیتیوم بور اکسید (LBO) می تواند ظرفیت تخلیه را افزایش دهد و تکامل هیدروژن را کاهش دهد.
جداکننده
عملکرد جداکننده در باتری روی-هوا انتقال یون هیدروکسیل، OH– از الکترود هوا به الکترود روی است. الزامات اساسی یک جداکننده مناسب، پایداری در محلول قلیایی، اندازه منافذ و تخلخل مناسب، رسانایی یونی بالا و عدم رسانایی الکتریکی است. از آنجایی که یک سلول روی-هوا از مهاجرت یون هیدروکسیل استفاده می کند، نه پروتون، جداکننده های H+، از پلی اتیلن، پلی وینیل الکل، و پلی پروپیلن ساخته شده اند. کیروس روش جدیدی را برای کنترل نفوذپذیری یون روی با وارد کردن یک ماده معدنی، Mn(OH)۲ به غشای ریز متخلخل ایجاد کرد. دیوی و همکاران. نشان داد که پلی سولفونیوم کاتیونی، پلی (متیل سولفونیو-1،4-فنیلن تیو-1،4-فنیلن تریفل اورو متان سولفونات) می تواند به طور موثری برای جلوگیری از نفوذ روی از آند به کاتد، عمل کند و مانع از اتصال کوتاه در باتری شود. وو و همکاران پیشنهاد کردند که سولفوناسیون غشای ریز متخلخل می تواند عدد انتقال آنیونی بالا را در محلول قلیایی 1 مولار KOH به 89/0 افزایش دهد. این جداکننده عملکرد بهتری نسبت به نمونه‌های سولفون نشده نشان داده است. علاوه بر الزامات اساسی ذکر شده در بالا، موارد دیگری نیز برای باتری ثانویه روی-هوا مورد نیاز است. جداکننده باید نسبت به اکسیداسیون بی اثر باشد و در طول شارژ و تخلیه پایدار بماند. علاوه بر این، به جذب بالایی برای الکترولیت ها و ساختار متخلخل ظریف برای حفظ الکترولیت ها در منافذ و کندی رشد دندریت روی نیاز دارد.
الکترولیت
الکترولیت های قلیایی مورد استفاده در باتری های روی-هوا، هیدروکسید پتاسیم، هیدروکسید سدیم و هیدروکسید لیتیوم هستند، در این میان، KOH به دلیل هدایت یونی بالاتر K+ (۷۳.۵۰ Ω-۱cm۲ /equiv) در مقایسه با Na+ (۵۰.۱۱ Ω-۱ cm۲ /equiv) به طور گسترده در سلول های روی-هوا استفاده شده است، علاوه بر این، معمولاً 30٪ KOH استفاده می شود زیرا حداکثر هدایت یونی را در این غلظت نشان می دهد. برای کاهش مقاومت الکترولیت، افزایش غلظت KOH می تواند یک راه حل باشد، اما غلظت بیش از حد KOH می تواند منجر به افزایش ویسکوزیته در الکترولیت شود. علاوه بر این، غلظت بالای الکترولیت با توجه به واکنش (Zn(OH)۴ ۲- → ZnO + H۲O + 2OH– ) منجر به تشکیل ZnO می شود که به نوبه خود باعث افزایش ویسکوزیته می شود. از آنجایی که باتری روی-هوا در محلول قلیایی کار می کند و در معرض هوا قرار می گیرد، الکترولیت به CO۲ بسیار حساس است که می تواند با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و کربناتها را تشکیل دهد. غلظت یون هیدروکسیل نیز به طور طبیعی در طی این فرآیند کاهش می یابد. بنابراین کربناته شدن الکترولیت قلیایی باعث کاهش ظرفیت سلول می شود. کیم و همکاران گزارش داد که غلظت کربنات پتاسیم در الکترولیت باعث افت خطی ظرفیت سلول می شود و اندازه منافذ غشای آبگریز عمدتاً بر میزان جذب دی اکسید کربن تأثیر می گذارد. دریلات و همکاران اثر غلظت کربن دی اکسید در هوا بر طول عمر الکترود در محلول قلیایی با استفاده از جاذب‌های جامد از جمله سودآهک بررسی کردند. در این مطالعه از مخلوط LiOH و LiOH-Ca(OH)۲ برای حذف CO۲ استفاده شد. علاوه بر این، آنها نشان دادند که افزایش غلظت دی اکسید کربن در هوای مصنوعی به10000ppm منجر به الکترودهای کاهش دهنده اکسیژن به جای الکترودهای تکامل دهنده اکسیژن می شود. آنها پیشنهاد کردند که کاهش طول عمر الکترود هوا به دلیل رسوب کربنات داخل منافذ الکترود است.
کاتد: الکترود هوا
مفهوم استفاده از اکسیژن در باتری روی-هوا مستلزم آن است که الکترود هوا دارای کاتالیزورهای مناسب برای واکنش کاهش اکسیژن (ORR) و ساختار بسیار متخلخل باشد، این دو الزام باید به طور همزمان برای طراحی یک الکترود هوا در نظر گرفته شود. همانطور که در مقدمه ذکر شد، کاتالیزورها برای کاهش انرژی فعال سازی زیاد برای ORR مورد نیاز هستند، اما ساختار الکترود هوا نیز عامل مهمی است که بر عملکرد سلول روی-هوا تأثیر می گذارد. در واقع، الکترود هوا به سادگی به عنوان بستری که در آن ORR رخ می دهد، عمل می کند. از آنجایی که اکسیژن بی‌پایان از اتمسفر تامین میشود، اصولاً می‌توان از خود الکترود هوا مکرراً استفاده کرد، مگر اینکه آسیب فیزیکی مانند ترک در کاتد هوا پس از تخلیه ایجاد شود.
ساختار الکترود هوا
ساختار بسیار متخلخل الکترودهای هوا یک مسیر انتشار برای اکسیژن ایجاد می کند و به عنوان بستری برای کاتالیزورها عمل می کند. بنابراین می توان از مواد کربنی مانند کربن فعال و نانولوله های کربنی (CNT) به عنوان بستر الکترود هوا استفاده کرد. به طور معمول، یک الکترود هوا از یک لایه انتشار گاز و یک لایه فعال کاتالیزوری تشکیل شده است و با لایه‌بندی آنها با یک شبکه فلزی به عنوان جمع‌کننده جریان تهیه میشود. لایه انتشار گاز از مواد کربن و یک چسب آبگریز مانند پلی تترافل اورواتیلن (PTFE) به عنوان یک عامل ضد مرطوب تشکیل شده است. حفظ آبگریزی مهم است، که باعث می شود لایه انتشار گاز به هوا اما نه آب نفوذ کند. در لایه فعال کاتالیزوری است که واکنش کاهش اکسیژن (ORR) انجام می شود. از بحث بالا، منطقی است که فرض کنیم انواع و مقادیر هر ماده و ساختار الکترود هوا بر عملکرد الکترود هوا تأثیر می‌گذارد. برای ساخت باتری روی-هوای ثانویه، توسعه یک کاتالیزور دوکاره مهم است. علاوه بر خود کاتالیزور، اکسیداسیون کاتالیزور و بستر کربن نیز باید در الکترودهای هوا که در آن واکنش تکامل اکسیژن (OER) در طول شارژ انجام میشود، در نظر گرفته شود، زیرا سطح بالای بستر کربن به شدت بالا است و توسط اکسیژن بسیار واکنش پذیر تولید شده از OER مورد حمله قرار می گیرد. راس و ساتلر نشان دادند که کربن گرافیتی شده منجر به کاهش نرخ خوردگی در شرایط آندی در محلول های قلیایی می شود.
کاتالیزورها
اگرچه مکانیسم کاهش اکسیژن بسیار پیچیده است، اعتقاد بر این است که دو نوع مکانیسم وجود دارد. یکی یک مسیر مستقیم چهار الکترونی است که در آن اکسیژن مستقیماً به OH– کاهش می یابد. دیگری یک مسیر پراکسید دو الکترونی است که در آن اکسیژن به طور غیرمستقیم از طریق HO۲– به OH کاهش می یابد. از آنجایی که فرآیند دو الکترونی در محلول های قلیایی رایج تر است، کاتالیزورهای مناسب برای تسهیل تجزیه HO2– به OH– مورد نیاز است. به خوبی شناخته شده است که سینتیک واکنش کاهش اکسیژن (ORR) بسیار کند است و برای واکنش مورد نظر به پتانسیل بیش از حد نیاز است. این پدیده برعکس چگالی توان و دبی با سرعت بالا را کاهش می دهد. از سوی دیگر، این مشکل معمولاً در باتری هایی که از اکسیژن به عنوان ماده فعال استفاده می کنند، مانند سایر سلول های فلزی و سلول های سوختی مشاهده می شود. بنابراین، بسیاری از تلاش‌ها برای غلبه بر این مشکل بر یافتن کاتالیزورهای مناسب برای کاهش پتانسیل کاهش بیش از حد اکسیژن متمرکز شده است. پیشرفت‌ها در کاتالیز محاسباتی ما را قادر می‌سازد تا کاتالیزورهای غیرفعال را غربال کنیم و پیش‌بینی کنیم که کدام کاتالیزور برای ORR فعالیت بیشتری دارند، که پیش‌بینی به صرفه‌جویی در زمان و هزینه در توسعه کاتالیزورهای مناسب کمک میکند.
تصویر شماتیکی از سنتز الکتروکاتالیست های اکسیژن دو منظوره مختلف، و کاربردهای آنها به عنوان الکترودهای هوای دو منظوره در باتری روی-هوا در شکل زیر نشان داده شده است که شامل: HDCs ( کاتالیزورهای کربن دوپ شده با هترواتم (به عنوان مثال،, F, P N، Cl، B، )) TMNs نیتریدهای فلزات واسطه( )TMCs کالکوژنیدهای فلزات واسطه AxB3-xX۴ ((A,B : فلز، X :کالکوژن) اکسیدهای نوع اسپینل) TMPs( فسفیدهای فلزات واسطه) CHMs( مواد ترکیبی جفت شده) M-Nx-C (نیتروژن-کربن های فلزی) TM-Cs( کاربیدهای فلزات واسطه) است.
طراحی باتری های روی-هوا
سه نوع اصلی باتری روی هوا وجود دارد: سلول های اولیه، ثانویه و باتری های قابل شارژ مکانیکی، سلول های روی-هوا اولیه برای استفاده یکبار طراحی شدهاند. بنابراین نمی توان آنها را به صورت الکتریکی یا مکانیکی شارژ کرد. به عبارت دیگر، چنین سلول هایی تنها توسط روی و الکترولیت کنترل می شوند. آنچه برای غلبه بر این محدودیت ها توسعه یافته است، یک باتری روی-هوا قابل شارژ مکانیکی است در اصل، طول عمر چنین سلولی به کاتد هوا بستگی دارد، نه به آند یا الکترولیت، زیرا روی و الکترولیت استفاده شده قابل جایگزینی هستند. مورد دیگر ترکیبی از هر دو رویکرد مکانیکی و الکتریکی قابل شارژ است، یعنی سلول دوغابی، چنین سلولی از یک سوسپانسیون روی در یک الکترولیت قلیایی استفاده می کند. علاوه بر روش های شارژ فوق الذکر، ون و همکاران. پیشنهاد کرد که معرفی اکسیداسیون پروپانول به عنوان یک واکنش الکترود کانتر، استفاده از انرژی الکتریکی را افزایش می دهد.
برای کاربردهای باتری روی-هوا ثانویه، علیرغم برخی پیشرفت‌های اخیر، تجاری سازی همچنان مشکل است زیرا همانطور که در این مقاله ذکر شد، مشکلات زیادی وجود دارد. برای تحقق چنین سلول‌هایی، اولین رویکرد ایجاد یک آند روی برگشت‌پذیر با درک شیمی یون روی در الکترولیت‌های قلیایی است. ثانیا، کاتالیزورهای دو منظوره مناسب و پایدار برای هر دو ORR و OER مورد نیاز است. این کاتالیزورها می توانند مازاد پتانسیل را در کاتد کاهش دهند که باعث افزایش راندمان کولنی و همچنین کاهش آسیب به الکترود هوا در هنگام شارژ می شود. علاوه بر این، الکترود هوا باید بیشتر بهینه شود تا مقاومت کاهش یابد. ثالثاً، مدیریت مناسب دی اکسید کربن و جداکننده ها نیز باید توسعه یابد. برای توسعه باتریهای ثانویه روی-هوای تجاری در آینده، باید این موانع را به طور همزمان در نظر گرفت.
در حال حاضر، در میان باتری های فلز-هوا، باتری های لیتیوم-هوا و روی-هوا بیشتر از سایرین مورد توجه قرار گرفته اند. در واقع، این باتری ها به لطف پیشرفت های اخیر، محتمل ترین باتری های فلز-هوا هستند که قابلیت تجاری سازی را دارا هستند. از این رو، در ادامه به صورت مختصر به بیان پیشرفت های اخیر در این باتری ها می پردازیم.
پیشرفت های اخیر در باتری های لیتیوم و روی-هوا
باتری های لیتیوم-هوا
الف) بر اساس الکترولیت مورد استفاده، چهار نوع باتری لیتیوم هوا وجود دارد: ۱) الکترولیت غیر آبی، ۲) الکترولیت آبی، ۳) الکترولیت هیبریدی، و ۴) الکترولیت تمام حالت جامد.
ب) تخلخل الکترود بر عملکرد الکتروشیمیایی کاتد هوا تأثیر می گذارد. انتشار اکسیژن با افزایش تخلخل تسهیل می شود و در نتیجه سینتیک واکنش کاهش اکسیژن بهبود می یابد.
ج) کاتالیزورهای مختلفی برای کاتد هوا مورد بررسی قرار گرفته‌اند و پلاریزاسیون به طور قابل‌توجهی توسط این کاتالیزورها کاهش یافته است. هر واکنش کاهش اکسیژن (ORR) و واکنش تکامل اکسیژن (OER) مکانیسم‌های واکنش کاتالیزوری متفاوتی را نشان می‌دهند، و بنابراین یک کاتالیزور دو عملکردی برای کاهش مقاومت هر دو واکنش مطلوب است.
د) قطبیت، ویسکوزیته و حلالیت اکسیژن الکترولیت ها عوامل مهمی هستند که بر عملکرد الکتروشیمیایی تأثیر می گذارند. همچنین مایعات یونی آبگریز الکترولیت های امیدوارکننده ای هستند زیرا در آب اختلاط ناپذیرند.
و) تشکیل دندریت فلز لیتیوم باعث عملکرد ضعیف چرخه می شود، اما می توان آن را با تشکیل یک لایه SEI پایدار بر روی سطح فلز لیتیوم سرکوب کرد. افزودنی های موجود در الکترولیت ها در تشکیل یک لایه SEI پایدار موثر هستند.
باتری های روی-هوا
الف) مورفولوژی روی می تواند بر رفتار الکتروشیمیایی باتری های روی-هوا تأثیر بگذارد زیرا ذرات روی با سطح بالایی می توانند به طور موثر با الکترولیت ها واکنش نشان دهند. همچنین، واکنش تکامل هیدروژن (HER) در یک آند روی که در الکترولیت قلیایی کار میکند، امکان‌پذیر است و در نتیجه ظرفیت باتریهای روی-هوا کاهش می‌یابد. برای غلبه بر این مشکل، پوشش دهی، آلیاژسازی و افزودن مواد افزودنی به الکترولیت در این حوزه تحقیقاتی به کار گرفته شده است. برای ساخت باتری ثانویه، مهم ترین نکته درک شیمی یون روی در محلول های قلیایی است.
ب) بحرانی ترین مشکل در باتری های روی-هوا واکنش کند شیمی اکسیژن است که از پتانسیلهای زیاد برای ORR و OER نشات می گیرد. کاتالیزورهای فلزات غیر نجیب شامل پروسکایت، پیروکلر و اسپینل نقش مهمی در کاهش مازاد پتانسیل در کاتد هوا دارند. معماری الکترودهای هوا نیز معیار مهمی است که بر عملکرد کلی الکترودهای کاتد تأثیر می گذارد.
ج) مهاجرت یون های روی از آند به کاتد می تواند انجام شود که باعث کاهش ظرفیت باتری های روی-هوا می شود. بنابراین، اندازه منافذ جداکننده باید برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی بهینه شود. کربناته شدن در محلول قلیایی نیز تأثیر منفی بر طول عمر سلول های روی-هوا دارد. برای حل این مشکل می توان یک اسکرابر CO۲ معرفی کرد.
اگرچه در سال های اخیر، باتری های روی-هوا و لیتیوم-هوا به طور قابل ملاحظه ای بهبود یافته اند، اما همچنان تجاری سازی این باتری های قابل شارژ با موانعی روبرو است. در جدول زیر برخی از مکانیسم های تخریب این باتری ها نشان داده شده است.
| حالت تخریب | مکانیسم تخریب |
نتیجه |
| تشکیل دندریت روی | رسوب غیر یکنواخت روی روی سطح آند | اتصال کوتاه |
| تغییر شکل آند روی | منطقه واکنش ناهموار در آند | سطح فعال آند را کاهش دهید
کاهش ظرفیت قابل استفاده و چگالی انرژی |
| غیرفعال سازی آند روی (تراکم) | رسوب غیر یکنواخت روی در سطح آند
جریان همرفتی ناشی از نیروی الکترواسموتیک |
رسانایی کم آند
ولتاژ عملی پایین قابلیت شارژ مجدد ضعیف از دست دادن ظرفیت و چگالی انرژی |
| خوردگی در کاتد هوا مبتنی بر کربن | رسوب عایق ZnO بر روی سطح آند ناشی از غلظت بالای Zn(OH)۲+۴
|
شارژدهی ضعیف باتری
عمر چرخه کم باتری |
| خوردگی در کاتالیزور | قرار گرفتن در معرض چگالی جریان بالا در طول شارژ | شارژدهی ضعیف باتری
عمر چرخه کم باتری |
| از دست دادن کاتالیزور | اکسیداسیون شدید کاتالیزور در طول واکنش تکامل اکسیژن | ولتاژ شارژ/دشارژ ضعیف باتری
عملکرد ORR/OER پایین تر |
| تجمع کاتالیزور | پیکربندی ضعیف جریان الکترولیت، تشکیل حباب های اکسیژن در طول شارژ | مقاومت بالا در کاتالیزور/الکترولیت
رابط عملکرد ORR/OER پایین تر عمر چرخه کم باتری |
| تکامل گاز (H۲) | پتانسیل منفی بیشتر کاهش روی در مقایسه با HER | فشار داخلی را در هنگام شارژ افزایش دهید
خوردگی آند سطح فعال را کاهش دهید از دست دادن تدریجی الکترولیت |
| تکامل گاز (O۲) | محصول واکنش در طول OER | مهار حرکت سیال در لایه انتشار گاز
مانع از واکنش های کاتالیزوری در کاتد هوا می شود ظرفیت و چگالی انرژی باتری را محدود میکند |
| تغییر غلظت الکترولیت | ریزش الکترولیت در آب و هوای مرطوب
دمای عملیات بالا نشت الکترولیت تشکیل محصول تخلیه |
جذب آب مقاومت داخلی را افزایش می دهد. تبخیر آب! شکست سلولی |
| تشکیل کربنات | محصول واکنش بین الکترولیت قلیایی و CO۲ محیط | کاهش رسانایی الکترولیت کاهش فعالیت کاتد هوا به دلیل مسدود شدن مکان‌های الکتروکاتالیستی |
| نشت الکترولیت | آبگریزی کم لایه انتشار گاز | خشک شدن زودرس سلول بدتر شدن ظرفیت باتری و عمر چرخه آن |
| سیل کاتد هوا | نفوذ الکترولیت به کاتد هوا ناشی از کم/از دست دادن
آبگریزی لایه انتشار گاز |
دسترسی ضعیف O۲ به لایه کاتالیست، پتانسیل زیاد در طول ORR |
جمع بندی و چشم انداز
در دهه گذشته پیشرفت های امیدوارکننده ای در زمینه باتری های Zn-air و Li-air وجود داشته است. عملکرد نویدبخش الکتروشیمیایی، هزینه کم و چگالی انرژی بالا عواملی هستند که توجه تحقیقاتی را به این باتری ها جلب کرده اند. تمام اجزای باتریهای روی-هوا در برابر رطوبت پایدار هستند و بنابراین مونتاژ سلول ها را می توان در شرایط هوای محیط انجام داد. بنابراین، کار با سلول‌های روی-هوا در مقایسه با باتریهای لیتیوم-هوا بسیار آسان‌تر است، زیرا اکثر اجزای سلول‌های لیتیوم-هوا نسبت به رطوبت ناپایدار هستند. سلول های لیتیوم-هوا باید در یک اتمسفر بی اثر مونتاژ شوند. این نشان میدهد که فرآیند تولید باتریهای روی-هوا ساده‌تر از باتریهای لیتیوم-هوا است. باتریهای روی-هوا نیز رقابت قیمتی قوی‌تری نسبت به باتریهای لیتیوم-هوا دارند، زیرا فلز روی و الکترولیت‌های آبی باتریهای روی هوا بسیار ارزان‌تر از فلز لیتیوم و الکترولیت‌های غیرآبی باتریهای لیتیوم-هوا هستند. علاوه بر این، سطح فنی باتری های روی-هوا به کاربرد عملی نزدیک تر در نظر گرفته می شود. با این حال، برگشت پذیری باتری های لیتیوم-هوا بهتر از باتری های روی-هوا است و توانایی شارژ یک مانع حیاتی برای کاربرد عملی باتری های قابل شارژ روی-هوا است. همچنین پتانسیل عملیاتی و ظرفیت ویژه باتری های لیتیوم-هوا بالاتر از باتری های روی-هوا است که در نتیجه چگالی انرژی بسیار بالاتر و جذابیت باتری های لیتیوم-هوارا به همراه دارد اگرچه پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای وجود داشته است، بسیاری از جنبه‌های باتریهای Zn-air و Li-air به طور کامل درک نشده‌اند و به تحقیقات بیشتری نیاز دارند. در این بررسی، مبانی و پیشرفت اخیر کار در زمینهاین باتری ها برجسته شده است.
- برچسب:
- باتری خودرویی
- باتری صنعتی
- باتری لیفتراکی
- باتری مخابراتی
- باتری اسیدی
- باتری OPzS
- باتری خورشیدی
- باتری سولار
- باتری سیلد ساکن
- باتری UPS
- باتری یو پی اس
- باتری قلیایی
- باتری لیتیوم یونی
- باتری خشک
- باتری آب خور
- باتری اسید سربی
- باتری معدنی
- باتری قلمی لیتیومی