موضوع مقاله: باتری لیتیم-هوا | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # باتری لیتیم-هوا | مقدمه: باتری لیتیم-هوا گونه‌ای از باتری‌های نوع دوم هستند که در آن از فلز لیتیم در آند و اکسیژن هوا در کاتد استفاده می‌شود. | ## بخش 1: باتری لیتیم-هوا | باتری لیتیوم-هوا (Li-air) یک سلول الکتروشیمیایی است که از اکسیداسیون لیتیوم در آند و کاهش اکسیژن در کاتد برای القای جریان جریان استفاده می‌کند. جفت شدن لیتیوم و اکسیژن محیط از نظر تئوری می‌تواند منجر به سلولهای الکتروشیمیایی با بالاترین انرژی ممکن شود. این مقدار تقریباً ۵ برابر بیشتر از باتری یون‌لیتیم تجاری است و برای کار با یک وسیله نقلیه الکتریکی ۲۰۰۰ کیلوگرمی برای ۵۰۰ کیلومتر (۳۱۰ مایل) با یک بار شارژ با استفاده از ۶۰ کیلوگرم باتری کافی است. با این حال، قدرت عملیاتی و چرخه عمر باتری‌های Li-air قبل از یافتن جایگاه بازار به پیشرفت‌های چشمگیری نیاز دارد. چگالی انرژی بنزین تقریباً ۱۳ کیلووات ساعت بر کیلوگرم است که مربوط به ۱٫۷ کیلووات ساعت بر کیلوگرم انرژی است که پس از تلف شدن به چرخ‌ها می‌رسد. از نظر تئوری، لیتیوم هوا می‌تواند ۱۲ کیلووات ساعت در کیلوگرم (43.2 MJ/kg) را به استثنای توده اکسیژن به‌دست آورد. با توجه به وزن بسته کامل باتری (پوشش، کانال‌های هوا، بستر لیتیوم)، در حالی که لیتیوم به تنهایی بسیار سبک است، چگالی انرژی به‌طور قابل توجهی پایین‌تر است. اگرچه ایده وجود یک باتری لیتیوم - هوا مدتها قبل از سال ۱۹۹۶ بود، نسبت خطر به سود برای پیگیری بسیار بالا تصور می‌شد. در واقع، هر دو الکترود منفی (فلز لیتیوم) و مثبت (هوا یا اکسیژن) دلیل این امر هستند که به ترتیب، باتری‌های لیتیوم فلزی قابل شارژ در دهه ۱۹۷۰ به بازار نرسیدند (باتری یون‌لیتیم در یک دستگاه تلفن همراه از ترکیب گرافیت LiC6- روی الکترود منفی، نه یک فلز لیتیوم). با این وجود، به دلیل کمبود قابل درک سایر گزینه‌ها برای باتری‌های قابل شارژ با انرژی زیاد و به دلیل برخی نتایج امیدوار کننده از آزمایشگاه‌های دانشگاهی، هم تعداد حق ثبت اختراع و هم انتشارات حوزه آزاد مربوط به اکسیژن لیتیوم (از جمله Li-air) باتری‌ها در سال ۲۰۰۶ رشد نمایی کردند. با این حال، مشکلات فنی پیش روی چنین باتری‌ها، به ویژه زمان شارژ مجدد، حساسیت به نیتروژن و آب و هدایت ضعیف ذاتی گونه‌های شارژ شده Li2O2 چالش‌های اساسی است. طراحی و بهره‌برداری به‌طور کلی یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد در سراسر الکترولیت حرکت می‌کنند. در حال تخلیه، الکترون‌ها مدار خارجی را برای انجام کارهای الکتریکی دنبال می‌کنند و یون‌های لیتیوم به کاتد مهاجرت می‌کنند. باتری آبی برای جلوگیری از واکنش فلز Li با آب به یک لایه محافظ روی الکترود منفی نیاز دارد. در آند، پتانسیل الکتروشیمیایی فلز لیتیوم را وادار می‌کند تا از طریق اکسیداسیون (بدون درگیر شدن اکسیژن کاتدیک) الکترونها را آزاد کند. نیمه واکنش این است: Li ⇌ Li+ + e− لیتیوم دارای ظرفیت ویژه بالا (۳۸۴۰ میلی آمپر ساعت در گرم) در مقایسه با سایر مواد باتری فلزی - هوا (۸۲۰ میلی‌آمپر ساعت در گرم برای روی، ۲۹۶۵ میلی‌آمپر ساعت در گرم برای آلومینیوم) است. گزینه‌های جایگزین شامل مواد جدید الکترولیت یا طراحی مجدد رابط بین الکترولیت و آند هستند. آندهای لیتیوم با کاهش رسوبات لیتیوم دندریتیک، باعث کاهش ظرفیت انرژی یا ایجاد اتصال کوتاه می‌شوند. با شارژ / تخلیه در سلولهای آپروتیک، لایه‌های نمکهای لیتیوم بر روی آند رسوب می‌کنند و در نهایت آن را می‌پوشانند و مانعی بین لیتیوم و الکترولیت ایجاد می‌کنند. این سد در ابتدا از خوردگی جلوگیری می‌کند، اما در نهایت از سینتیک واکنش بین آند و الکترولیت جلوگیری می‌کند. این تغییر شیمیایی رابط جامد - الکترولیت (SEI) منجر به تغییر ترکیب شیمیایی در سطح می‌شود و باعث می‌شود جریان به همین ترتیب تغییر کند. توزیع جریان ناهموار باعث انشعاب رشد دندریت (شاخه‌های متعدد) می‌شود و معمولاً منجر به اتصال کوتاه بین آند و کاتد می‌شود. چندین روش برای غلبه بر این مشکلات می‌باشد: تشکیل یک لایه محافظ یون لیتیوم با استفاده از الکترولیت‌های کوپلیمر دی و ترایبلاک. به گفته شرکت Seeo، این الکترولیتها (به عنوان مثال، پلی استایرن با هدایت بالای یون لیتیوم در یک بخش پلیمر نرم، مانند پلی (اکسید اتیلن (PEO) و مخلوط نمک Li) ثبات مکانیکی را ترکیب می‌کنند. مواد شیشه ای یا سرامیک شیشه ای هدایت کننده لیتیوم یونی (به‌طور کلی) به راحتی توسط فلز لیتیوم کاهش می‌یابند، و بنابراین یک فیلم نازک از یک ماده رسانا لیتیوم پایدار، مانند Li3Pdیا Li3N، می‌تواند بین سرامیک و فلز قرار داده شود. این SEI مبتنی بر سرامیک مانع از تشکیل دندریت‌ها شده و از فلز لیتیوم در برابر آلودگی جوی محافظت می‌کند. کاتد در هنگام شارژ در کاتد، اکسیژن از طریق کاهش الکترون را به لیتیوم اهدا می‌کند. | ## بخش 2: باتری لیتیم-هوا | از کربن مزوپور به عنوان یک بستر کاتدی با کاتالیزورهای فلزی استفاده شده‌است که باعث افزایش سینتیک کاهش و افزایش ظرفیت خاص کاتد می‌شود. منگنز، کبالت، روتنیوم، پلاتین، نقره یا مخلوطی از کبالت و منگنز از کاتالیزورهای فلزی بالقوه هستند. تحت برخی شرایط کاتدهای کاتالیز شده منگنز بهترین عملکرد را داشتند، با ظرفیت خاص 3137 mA·H/g و کاتدهای کاتالیز شده با کبالت با بهترین ظرفیت 2414 mA·H/g دومین بهترین‌ها را داشتند. بر اساس اولین مدل‌سازی مقیاس منافذ باتری‌های لیتیوم - هوا، ساختار ریز کاتد به‌طور قابل توجهی بر ظرفیت باتری هم در رژیم‌های غیر مسدود کننده منفذ و هم در منافذ منفذ تأثیر می‌گذارد. بیشتر محدودیت‌های باتری Li-air در کاتد است که منبع مزایای بالقوه آن نیز می‌باشد. اکسیژن اتمسفر باید در کاتد وجود داشته باشد، اما آلودگی‌هایی مانند بخار آب می‌تواند به آن آسیب برساند. تخلیه ناقص به دلیل انسداد کاتد کربن متخلخل با محصولات تخلیه مانند پراکسید لیتیوم (در طرح‌های غیرعادی) جدی‌ترین است. کاتالیزورها در ایجاد هسته ترجیحی Li2O2 بیش از Li2Oترجیح داده شده‌اند، که با توجه به لیتیوم برگشت‌پذیر نیست. عملکرد Li–air با کارایی واکنش در کاتد محدود می‌شود، زیرا بیشتر افت ولتاژ در آنجا اتفاق می‌افتد. چندین ترکیب شیمیایی مورد ارزیابی قرار گرفته‌است که توسط الکترولیت آنها متمایز شده‌است. این بحث بر روی الکترولیت‌های آلی و آبی متمرکز است زیرا الکتروشیمی حالت جامد به خوبی درک نشده‌است. اکسیدهای لیتیوم در الکترولیت‌های غیرقابل حل نیستند، که منجر به گرفتگی کاتد می‌شود. یک MnO2 کاتد آرایه نانوسیم تقویت شده توسط ویروس باکتریوفاژ اصلاح شده ژنتیکی M13 دو تا سه برابر چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون دوران ۲۰۱۵ را ارائه می‌دهد. روند ویروسی به جای سیم‌های جدا شده، باعث ایجاد ثبات در الکترود یک ساختار سه بعدی متقابل می‌شود. ۳–۲- الکترولیت باتری‌های Li–air بر روی چهار الکترولیت متمرکز شده‌است: اسیدی آبی، قلیایی آبی، غیرآبی دارای پروتون آزاد و آلی. در سلول با الکترولیت آبی کاهش در کاتد همچنین می‌تواند هیدروکسید لیتیوم تولید کند: ۳-۲-۱- باتری لیتیم آبی یک باتری لیتیوم آبی از یک آند فلز لیتیوم، یک الکترولیت آبی و یک کاتد کربن متخلخل تشکیل شده‌است. با این حال، فلز لیتیوم به شدت با آب واکنش نشان می‌دهد و بنابراین طرح آبی به یک رابط الکترولیت جامد بین لیتیوم و الکترولیت نیاز دارد. معمولاً از سرامیک یا شیشه رسانای لیتیوم استفاده می‌شود، اما رسانایی به‌طور کلی کم است (به ترتیب ۱۰−3 S/cmدر دمای محیط). بدون اینکه منافذ کاتد را مسدود کرده و از کاتالیزورهای مناسب برای عملی سازی واکنشهای الکتروشیمیایی استفاده کند. اختلاف ولتاژ در شارژ و تخلیه جریان ثابت معمولاً بین ۱٫۳ و ۱٫۸ ولت است (با OCP حدود ۴٫۲ ولت) حتی در جریان‌های کم مضحک مانند 0.01–0.5 mA/cm² و ۵۰–۵۰۰ میلی‌آمپر / گرم C در الکترود مثبت با این حال، حلال‌های کربنات بخاطر اضافه ولتاژ زیاد در هنگام شارژ، تبخیر شده و اکسید می‌شوند. حلالهای دیگری مانند گلیم‌های درپوشیده شده، DMSO، دی متیل استامید و مایعات یونی در نظر گرفته شده‌اند. کاتد کربن در هنگام شارژ بالاتر از +3.5 V v Li اکسید شده و Li2CO3 را تشکیل می‌دهد، که منجر به کاهش ظرفیت برگشت‌ناپذیر می‌شود. بیشترین تلاش‌ها شامل مواد آپروتیک بود که متشکل از یک آند فلز لیتیوم، یک الکترولیت آلی مایع و یک کاتد کربن متخلخل است. کاتد کربن معمولاً از یک ماده کربنی با سطح بالا با کاتالیزور اکسید فلز با ساختار نانو (معمولاً MnO2 یا Mn3O4) ساخته می‌شود. یک مزیت عمده تشکیل خود به خودی مانع بین آند و الکترولیت است (مشابه سد تشکیل شده بین الکترولیت و آندهای کربن لیتیوم در باتری‌های لیتیوم یونی) که از فلز لیتیوم در برابر واکنش بیشتر با الکترولیت محافظت می‌کند. اگرچه قابل شارژ است، Li2O2 تولید شده در کاتد به‌طور کلی در الکترولیت آلی نامحلول است و منجر به تجمع در طول رابط کاتد / الکترولیت می‌شود. این باعث می‌شود کاتدهای موجود در باتری‌های آپروتیک در معرض گرفتگی و افزایش حجم باشند که به تدریج رسانایی را کاهش داده و عملکرد باتری را تخریب می‌کند. | ## بخش 3: باتری لیتیم-هوا | مسئله دیگر این است که الکترولیت‌های آلی قابل اشتعال هستند و در صورت آسیب سلول می‌توانند مشتعل شوند. محصول تخلیه نهایی باتری‌های غیر آبی Li-O2 است، شواهد قابل توجهی نشان می‌دهد که شکل‌گیری آن به عنوان یک کاهش مستقیم ۲ الکترون به پراکسید 2 O2− انجام نمی‌شود (که مسیر مشترک کاهش O2 در آب بر روی کربن است) بلکه از طریق کاهش یک الکترون به سوپراکسید O2−، به دنبال عدم تناسب آن. 2LiO2⇌Li2O2+O2 سوپراکسید (O−۲)به دلیل هسته ای بودن، بنیادی بودن و پتانسیل اکسایش (Redox) بالا، به‌طور سنتی به عنوان یک واسطه خطرناک در باتری‌های اکسیژن غیرعادی مورد توجه قرار گرفته‌است. با این حال، گزارش‌ها نشان می‌دهد که LiO2 در حین تخلیه واسطه است پراکسید 2O2) (Li می‌تواند به عنوان محصول تخلیه نهایی مورد استفاده قرار گیرد، به‌طور بالقوه با عمر چرخه بهبود یافته، البته با انرژی خاص کمتر (وزن باتری کمی سنگین تر). در واقع، نشان داده شد که تحت شرایط خاص، سوپراکسید می‌تواند در مقیاس ۲۰–۷۰ ساعت در دمای اتاق پایدار باشد. با از دست دادن ظرفیت برگشت‌ناپذیر با عدم تناسب LiO2 در باتری شارژ شده، رسیدگی نشد. با این وجود، عملکرد باتری‌های لیتیوم-هوا قابل شارژ با الکترولیت‌های غیر آبی توسط واکنش‌های موجود بر روی الکترود اکسیژن، به ویژه توسط تکامل O2 محدود می‌شود. الکترودهای متناوب متخلخل هوا از کربن قادر به تأمین ظرفیت‌های mAh / g و mAh/cm2 نیستند نرخ در اندازه مورد نیاز برای باتری‌های با چگالی انرژی بسیار بالا برای برنامه‌های کاربردی EV. ظرفیت (در mAh/cm2) و عمر چرخه باتری‌های غیر آبی Li-O2 با رسوب نامحلول و رسانای الکترونیکی ضعیف محدود می‌شود. این امر باعث می‌شود که انرژی ویژه عملی باتری‌های LiO2 به مراتب کوچکتر از پیش‌بینی سطح واکنش دهنده باشد. به نظر می‌رسد که این پارامترها به حد مجاز خود رسیده‌اند و تنها از روش‌های جایگزین انتظار پیشرفت بیشتر است. ۲-۳-۵- مخلوط آبی - آلی طراحی باتری‌های آبی-آلی یا مخلوط باتری Li-air تلاش می‌کند تا مزایای طراحی باتری‌های آلی و آبی را متحد کند. ویژگی مشترک در طراحی‌های ترکیبی، الکترولیت دو بخشی (یک قسمت آبی و یک قسمت غیر متحرک) است که توسط غشا رسانای لیتیوم متصل می‌شود. سرامیک رسانای لیتیوم معمولاً به عنوان غشایی که به دو الکترولیت می‌پیوندد استفاده می‌شود. یکی از این روشهای جایگزین است که امکان ترکیب آند فلز لیتیوم با کاتد آبی را فراهم می‌کند. سازگار با آب در pH قلیایی و داشتن یک پنجره الکتروشیمیایی بزرگ) مطابق شکل)، هدایت یونی Li+ پایین آنها در نزدیکی دمای اتاق (< 0.005 S/cm, >۸۵ Ω cm2) آنها را برای برنامه‌های ذخیره‌سازی انرژی در خودرو و ثابت که تقاضای کم هزینه دارند، نامناسب می‌کند (یعنی تراکم جریان بیش از ۱۰۰ میلی‌آمپر در سانتی‌متر مربع). علاوه بر این، هر دو Ti و Ge توسط فلزی Li کاهش می‌یابند، و یک لایه میانی بین الکترود سرامیکی و الکترود منفی مورد نیاز است. در مقابل، الکترولیت‌های پلیمری جامد (SPEs) می‌توانند هدایت بالاتری را در هزینه عبور متقاطع از آب و سایر مولکولهای کوچک که نسبت به لیز فلزی واکنش نشان می‌دهند، فراهم کنند. از جمله غشاهای عجیب و غریب در نظر گرفته شده برای باتری‌های Li-O2، سیلیکون تک بلوری است. در سال ۲۰۱۵ محققان طرحی را اعلام کردند که از گرافن بسیار متخلخل برای آند، الکترولیت لیتیوم بیس (تری فلوئورومتیل) سولفونیمیلید / دی متیو اکیزتان با آب و یدید لیتیوم اضافه شده برای استفاده به عنوان «واسطه» استفاده می‌کند. ۲) این نتیجه بهره‌وری انرژی ۹۳ درصد (فاصله ولتاژ ۲/۰) و بیش از ۲ هزار بار چرخه را با تأثیر کم بر خروجی ارائه می‌دهد. ۲-۳-۶- استفاده از الکترولیت جامد یک طراحی باتری حالت جامد از نظر ایمنی جذاب است و احتمال احتراق در پارگی را از بین می‌برد. باتری‌های لیتیوم حالت جامد کنونی از یک آند لیتیوم، یک الکترولیت سرامیک، شیشه یا شیشه و سرامیک و یک کاتد کربن متخلخل استفاده می‌کنند. آند و کاتد معمولاً توسط کامپوزیت‌های پلیمری و سرامیکی از الکترولیت جدا می‌شوند که انتقال بار را در آند افزایش داده و کاتد را به الکترولیت به صورت الکتروشیمیایی جفت می‌کنند. اشکال اصلی در طراحی باتری حالت جامد، رسانایی کم اکثر الکترولیت‌های سرامیک شیشه ای است. | ## جمع‌بندی | رسانایی یونی رساناهای یونی سریع لیتیوم پایین‌تر از گزینه‌های الکترولیت مایع است.