انواع باتری فلز هوا، مزایا و کاربرد آن

انواع باتری فلز هوا، مزایا و کاربرد آن

باتری فلز هوا به عنوان یکی از جدیدترین باتری‌های شارژی، در سال‌های اخیر محبوبیت زیادی پیدا کرده است. این باتری علاوه بر مزایای عالی، بسیاری از معایب دیگر باتری‌های شارژی را ندارد. به همین دلایل، باتری-فلز هوا امروزه در لبه علم و فناوری و موضوعات مورد علاقه پژوهشگران این حوزه قرار گرفته است.

در این مقاله به معرفی باتری فلز هوا، بررسی انواع آن و مزایا و معایب هر یک می‌پردازیم. با باتری بازار همراه باشید.

 

 

باتری فلز هوا چیست؟

باتری فلز هوا چیست؟

در مقاله انواع باتری از گذشته تاکنون توضیح دادیم؛ که باتری فلز هوا، یک سلول الکتروشیمیایی به وسیله واکنش بین فلز خالص و هوای محیط است. آند، کاتد و الکترولیت باتری متال هوا، به ترتیب؛ یک فلز خالص، اکسیژن و آب است. الکترود جامد فلزاتی مثل روی، آهن، لیتیوم، به عنوان آند باتری فلز هوا به کار می‌روند. کاتد باتری متال هوا، هوای محیط مملو از اکسیژن است.

 

 

ساختار باتری فلز هوا

ساختار-باتری-فلز-هوا

واکنش آند فلزی باتری فلز-هوا با کاتد آن(اکسیژن)، باعث اکسیداسیون فلز می‌شود. این واکنش باعث ایجاد انرژی هنگام شارژ و دشارژ(تخلیه) خواهد شد.

در این باتری، اکسیژن از طریق کاتالیست‌های درون کاتد متخلخل، وارد الکترولیت آبی می‌شوند. آند فلزی با این اکسیژن واکنش نشان داده، وباتری به کار می‌افتد.

همانطور که در شکل بالا می‌بینید، در قسمت کاتد، کاتالیست‌هایی وجود دارد. این کاتالیست‌ها وظیفه سوق دادن اکسیژن موجود درهوا به سمت کاتد، الکترولیت و در نهایت آند فلزی را دارند.

حرکت یون‌های اکسیژن به سمت آند فلزی و حرکت یون‌های فلزی به سمت کاتد، باعث واکنش اکسیداسیون و به کار افتادن باتری فلز-هوا می‌شوند. در این فرآیند، الکترون‌ها از سمت آند فلزی به سمت کاتد هوایی حرکت کرده و دشارژ یا تخلیه باتری را سبب می‌شوند.

در هنگام شارژ، این فرآیند معکوس خواهد شد. یعنی اکسید فلز، در کاتد تجزیه و احیا می‌شود. و اکسیژن استفاده شده در فرآیند دشارژ را به محیط برمی‌گرداند. سپس یون فلزی از طریق الکترولیت آبی، به سمت آند حرکت کرده، و  الکترون‌ها از آند به سمت کاتد هوایی می‌روند. تا تعادل الکتریکی برقرار شود. به این ترتیب فرآیند شارژ باتری فلز-هوا انجام می‌گیرد.

 

 

کاربرد باتری فلز هوا

کاربرد باتری فلز هوا

باتری فلز هوا در طیف گسترده‌ای از مشاغل و نیازهای روزمره مردم، کاربرد دارد. صنایع حمل و نقل، صنایع نظامی، لوازم الکتریکی، لوازم خانگی، لوازم پزشکی، سیستم‌های برق پشتیبان، ایستگاه‌های مخابراتی و… همگی از جمله موارد کاربرد این باتری است.

البته باتری فلز-هوا هنوز به طور کامل، و در همه صنایع تجاری سازی نشده است. شرکت‌های مختلفی در سراسر دنیا از جمله شرکت تسلا، زیمنس، شرکت ایرانی سانیوا و… به دنبال تجاری سازی این باتری پرکاربرد و پرسود هستند. در آینده‌ای نزدیک شاهد کاربرد گسترده این باتری شگفت انگیز خواهیم بود.

 

 

انواع باتری فلز هوا

باتری فلز هوا، از فلزات خالص مختلفی ساخته می‌شود. که هر کدام کاربرد و ویژگی‌های خاص خود را دارند. با فلزات مختلف، به عنوان آند و با تغییر نوع الکترولیت، انواع مختلف این باتری را تولید می‌کنند.

فلزاتی در ساخت این باتری استفاده می‌شوند؛ که دو ویژگی مهم را داشته باشند. یکی چگالی انرژی بالا و دیگری ولتاژ  بالا.

در ادامه به معرفی مهم‌ترین انواع باتری فلز هوا می‌پردازیم:

 

1-باتری روی هوا (Zn-air)

باتری روی هوا (Zn-air)

یکی از انواع باتری فلز-هوا، باتری روی هوا با ولتاژ 1.65 است. این باتری به وسیله یک قاب فلزی از جنس روی، که درون الکترولیت هیدروکسید پتاسیم آبی غلیظ قرار دارد، ساخته شده است.

چگالی انرژی ویژه تئوری فلز روی، 1350 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز روی با اکسیژن، چگالی انرژی 1677 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد.

 

2-باتری لیتیوم هوا (Li-air)

باتری لیتیوم هوا (Li-air)

باتری لیتیوم هوا، نوعی باتری فلز هوا با توان بالا و منحصر به فردی است. به طوری که توان این باتری، در حد توان موتورهای دیزلی است. باتری فلز-هوا بر پایه لیتیوم، نسبت به باتری لیتیوم یون، حدود 100 برابر و نسبت به باتری لییتوم پلیمر، حدود 5 برابرکارایی و توان بیشتری دارد.

این باتری هنگام دشارژ، یون سوپر هیدروکسید تولید می‌کند. این یون مانع شارژ مجدد باتری می‌شود. این مشکل شارژ و دشارژ مکرر، تنها عیب باتری لیتیوم هواست؛ که هنوز هم کامل حل نشده است.

چگالی انرژی ویژه تئوری فلز لیتیوم، 11140 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز لیتیوم با اکسیژن چگالی انرژی، 5210 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد. همچنین ولتاژ باتری لیتیوم هوا 2.91 ولت است.

باتری لیتیوم هوا (Li-air)

مزایای باتری لیتیوم هوا نسبت به دیگر انواع باتری فلز هوا، چگالی انرژی بالا، قبلیت جداسازی از الکترولیت و امکان استفاده از الکترولیت اسیدی و آبی(خنثی) است.

 

3-باتری سدیم هوا (Na-air)

باتری سدیم هوا (Na-air)

باتری فلز هوای مبتنی بر سدیم، برای غلبه بر مشکل یون سوپر هیدروکسید باتری لیتیوم هوا، ساخته شد. این باتری ولتاژ 2.3 ولتی در مدار باز خود، تولید می‌کند. فلز سدیم، چگالی انرژی ویژه تئوری 2260 وات ساعت بر کیلوگرم دارد. که در اثر واکنش فلز سدیم با اکسیژن، چگالی انرژی آن، 1090 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد.

چگالی انرژی سدیم بیشتر از چگالی انرژی لیتیوم نیست. اما تنها مزیت آن نسبت به لیتیوم، تولید اکسید سدیم پایدار است. اکسید سدیم واکنش مخربی مثل یون سوپرهیدروکسید که لیتیوم تولید می‌کند، ندارد. همچنین فرایند شارژ و دشارژ باتری سدیم هوا، قابلیت برگشت پذیری ذاتی دارد. که باعث شارژ مجدد خوبی خواهد شد.

 

4-باتری آلمینیوم هوا(Al-air)

باتری آلمینیوم هوا، به عنوان نوعی از باتری‌های فلز هوا، که به وسیله واکنش هوا با فلز آلمینیوم کار می‌کند. ولتاز اسمی که این باتری تولید می‌کند، 1.2 ولت است. چگالی انرژی ویژه تئوری فلز آلمینیوم، 8140 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز آلمینیوم با اکسیژن چگالی آن، 4300 وات ساعت بر کیلوگرم، خواهد شد.

 

5- باتری پتاسیم هوا (K-air)

باتری پتاسیم هوا (K-air)

یکی دیگر از انواع باتری فلز هوا، باتری پتاسیم هوا است. چگالی انرژی ویژه تئوری فلز پتاسیم، 4180 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز پتاسیم با اکسیژن چگالی انرژی، 2990 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد.  با وجود ولتاژ تئوری بالای فلز پتاسیم، که 2.48 است؛ اما باتری پتاسیم هوا بیش از 2 تا 3 سیکل شارژ عمر مفید ندارد.

 

6-باتری منیزیم هوا (Mg-air)

باتری منیزیم هوا (Mg-air)

باتری منیزیم هوا، با تولید ولتاژ اسمی 2.93 ولت، از انواع پرقدرت باتری فلز هواست. چگالی انرژی ویژه تئوری فلز منیزیم، 6462 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز منیزیم با اکسیژن چگالی آن، 2789 وات ساعت بر کیلوگرم، خواهد شد.

 

7-باتری کلسیم هوا (Ca-air)

باتری فلز هوای مبتنی بر کلسیم، از باتری‌های با ظرفیت بالایی است؛ که ولتاژ 3.12 ولتی تولید می‌کند. چگالی انرژی ویژه تئوری فلز کلسیم، 4180 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز کلسیم با اکسیژن چگالی انرژی، 2990 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد.

 

8- باتری آهن هوا (Fe-air)

باتری آهن هوا (Fe-air)

قابل بحث‌ترین باتری فلز هوا، باتری آهن هواست. باتری شگفت انگیز آهن هوا، بسیار کارآمد، ارزان و سازگار با محیط زیست است. در مقاله «باتری آهن هوا؛ نجات دهنده آینده زمین»، به طور مفصل درمورد این باتری جالب صحبت کرده‌ایم. پیشنهاد می‌کنم این مقاله را از دست ندهید.

عملکر باتری آهن هوا، در اثر واکنش آهن و آب و تولید هیدروژن و اکسید آهن است. جالب است بدانید که هیدروژن تولید شده در هنگام شارژ و دشارژ باتری آهن هوا، می‌تواند برای تولید باتری سوختی مبتنی بر هیدروژن استفاده شود.

از آن‌جایی که اکسید آهن، در طبیعت تجزیه می‌شود. باتری‌های فرسوده آهن هوا در آینده، تهدیدی برای زمین محسوب نمی‌شوند. در مقاله «سرنوشت باتری اتومبیل های برقی» گفتیم؛ که مسئله بازیافت باتری‌ها، یک مزیت مهم و تأثیرگذار در صنعت باتری سازی است.

فلز آهن،  ولتاژ 1.3 ولتی دارد. همچنین چگالی انرژی ویژه تئوری فلز آهن، 2044 وات ساعت بر کیلوگرم است. که در اثر واکنش فلز آهن با اکسیژن چگالی آن، 1431 وات ساعت بر کیلوگرم خواهد شد.

 

 

مزایای باتری فلز هوا

مزایای باتری فلز هوا

بی دلیل نیست که باتری فلز-هوا، جز بهترین باتری‌های شارژی است. باتری فلز-هوا، مزایای بسیاری دارد. که در زیر به توضیح هر یک می‌پردازیم.

  • قابلیت شارژ مجدد بالا و عمر مفید بالا

باتری فلز-هوا، تعداد دفعات شارژ مجدد بیشتری نسبت دیگر باتری‌ها دارد. از این رو عمر مفید بالاتری نیز دارد.

  • زمان شارژ بسیار کوتاه

زمان کوتاه شارژ شدن، از بهترین مزایای انواع باتری فلز هواست. به طوریکه یک باتری فلز-هوا، تنها در عرض چند دقیقه شارژ می‌شود. اما باتری‌های شارژی دیگر حتی در هنگام شارژ سریع، به حداقل 8 ساعت زمان نیاز دارند. زمان کوتاه شارژ شدن باتری فلز-هوا، بسیار مورد علاقه مصرف کنندگان است.

  • چگالی انرژی بالا

باتری فلز هوا، چگالی انرژی تا 5 برابر بیشتر از دیگر باتری‌ها دارد. برای مثال باتری فلز هوای مبتنی بر لیتیوم، چگالی انرژی 1200 وات ساعت بر کیلوگرمی دارد. در صورتی که باتری شارژی لیتیوم یون، که از همان فلز ساخته شده است؛ چگالی انرژی نهایتا 200 وات ساعت بر کیلوگرمی دارد.

  • ظرفیت و توان بالا

ظرفیت و توان باتری فلز هوا، به دلیل چگالی انرژی بالای آن ، بسیار بالاست. این‌ها باعث بالارفتن رتبه کیفیت باتری فلز-هوا نسبت به دیگر باتری‌ها شده است.

  • ایمنی بسیار بالا

باتری فلز هوا رتبه اول ایمنی بین تمام باتری‌ها را دارد. این باتری در اثر ضربه یا حادثه، به هیچ عنوان منفجر نمی‌شود و آتش نمی‌گیرد.

  • حجم و وزن پایین

باتری فلز هوا با وجود چگالی انرژی بالایی که دارد، اما وزن زیادی ندارد. زیرا کاتد این باتری هواست. و هیچ حجم و وزنی به جز وزن ناچیز قسمت متخلخل و کاتالیست، برای کاتد وجود نخواهد داشت. وزن این باتری تا 80 درصد کمتر از دیگر باتری‌های مشابه است.

  • قیمت مقرون به صرفه و اقتصادی

قیمت باتری فلز هوا، با تمام مزایایی که دارد، گران نیست. بسیاری از هزینه‌های تولید این باتری به دلیل کاتد هوایی که دارد، پایین آمده است. در نتیجه شما می‌توانید این باتری با کیفیت و ایمن را، با قیمت مناسبی تهیه کنید.

  • دوستدار محیط زیست

فلزات به کار رفته در اکثر باتری‌های فلز هوا، فلزات سبک و قابل تجزیه هستند. مثل آلمینیوم، روی، منیزیم و…  علاوه بر این، الکترولیت باتری فلز-هوا، سمی و اسیدی نیست. به همین دلایل، این باتری ضرری برای طبیعت ندارد. نه تنها مشکل بازیافت این باتری‌ها آینده زمین را تهدید نخواهد کرد، بلکه اکسید فلز این باتری‌ها برای تغذیه کردن خاک، بسیار مفید است.

 

 

معایب باتری فلز هوا

باتری فلز هوا با تمام محاسنی که دارد، بی عیب هم نیست. در توضیحات انواع باتری فلز-هوا، درمورد معایب هر کدام از آن‌ها توضیح دادیم. در این قسمت از مطلب، به توضیح کربناسیون، به عنوان مهم‌ترین عیب باتری فلز-هوا می‌پردازیم.

کربناسیون

اولین و مهم‌ترین عیب همه باتری‌های فلز هوا، فرآیند کربناسیون است. در باتری فلز هوا، فلز باید در معرض هوای محیط قرار گیرد. در این حالت، کربن دی اکسید موجود در هوای محیط، با هیدروکسید فلز تولید شده در باتری، واکنش نشان می‌دهد. در خلال این واکنش، کربنات فلز تشکیل می‌شود. تولید شدن کربنات فلز، کربناسیون نام دارد. کربنات فلز در باتری رسوب کرده، و ممکن است مانع تبادل اکسیژن بین فلز و هوای محیط شود.

 

 

کلام آخر

باتری‌های ثانویه یا باتری‌های شارژی، نقش مهمی در زندگی روزمره همه ما بازی می‌کنند. از گوشی موبایل که همگی در دست داریم گرفته، تا وسایل حمل و نقل و دیگر وسایل الکتریکی. از این رو، این صنعت روز به روز در حال پیشرفت است. و تولیدکنندگان باتری ‌های شارژی بی نقص تر، سبک‌تر و قوی‌تری تولید می‌کنند. در این بین، باتری فلز هوا یا باتری متال هوا، به عنوان سرآمد باتری‌های شارژی شناخته می‌شود. در این مقاله، به طور کامل باتری فلز هوا و انواع آن را توضیح دادیم. و مزایا و معایب این باتری را بررسی کردیم.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اسکرول به بالا