فناوری باتری آلومینیوم – هوا و اساس عملکرد آن

نگرانی های زیست محیطی مانند تغییرات شرایط آب و هوایی به دلیل رشد سریع جمعیت به طور فزاینده به مسئله ای جدی تبدیل شده و نیاز به بهبود دارد. یک راه حل برای کنترل این تغییرات، تولید باتری های با ظرفیت بالا است که می تواند در برنامه های مبتنی بر تأمین برق و کاهش وابستگی به نفت استفاده شود. در این بحث، باتری آلومینیوم – هوا به دلیل تراکم بالای انرژی، ۸.۱ کیلووات ساعت در کیلوگرم که به طور قابل توجهی بزرگتر از باتری های یون- لیتیوم است، برای برنامه های ذخیره سازی انرژی در آینده بسیار امیدوار کننده خواهد بود. بر این اساس، بررسی اصول و شناخت چالش های مربوط به ساخت باتری آلومینیوم – هوا از نظر اجزای تشکیل دهنده آن از جمله آندهای آلومینیوم، الکترولیت ها و کاتدهای هوا ضرورت دارد. در این مطلب به طور اجمالی به این نکات می پردازیم.مقدمه ای بر باتری آلومینیوم – هواتغییرات شرایط آب و هوایی به یک مشکل حاد محیط زیست تبدیل شده است و یکی از دلایل اصلی آن مقادیر عظیم گاز CO2 منتشر شده در محیط زیست در اثر رشد بی رویه جمعیت و فعالیت های انسانی است. یک روش برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، کاهش مصرف نفت به عنوان یک منبع انرژی است؛ این کار صرفاً می تواند از طریق توسعه منابع انرژی تجدید پذیر و پایدار برای وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی الکتریکی دنبال شود.بر اساس این توضیح، توسعه باتری های کم هزینه با پتانسیل انرژی بالا یک موضوع جالب برای تحقیق و تولید در آینده است. در حال حاضر، باتری یون- لیتیوم (LIB)، پیشرفته ترین و کاربردی ترین فناوری برای تولید، از باتری های ثانویه در مقیاس کوچک گرفته تا باتری های بزرگ، محصوب می شود. با این حال، هزینه های LIBs به عواملی همچون هزینه مواد اولیه شامل مواد فعال کاتد و آند، جداکننده ها و الکترولیت ها بستگی دارد.علاوه بر این، استفاده گسترده از باتری های یون-لیتیوم در خودروهای الکترونیکی با اشکالاتی مانند ایمنی، محدوده رانندگی، زمان آهسته شارژ شدن و وزن سنگین بسته های باتری مواجه می شود.به علاوه، چگالی انرژی کاتد در باتری های یون-لیتیومی از ۱۴۰ تا ۳۵۰ میلی آمپر در ساعت با کاتد اکسید و ۳۷۰ تا بیش از ۲۰۰۰ میلی آمپر در ساعت برای آندها بسته به مواد (به عنوان مثال، گرافیت و سیلیکون)، است که منجر به ظرفیت متفاوت سل های LIB می شود. این مقادیر از ۱۰۰ تا ۲۵۰ کیلووات ساعت است که تقاضای انرژی و چگالی زیاد انرژی را نمی تواند پاسخگو باشد.اگرچه تلاش های چشمگیری در جهت بهبود LIBs جهت تأمین ظرفیت بیشتر برای تأمین انرژی انجام شده است، استراتژی های جایگزینی نیز شامل طراحی و تولید باتری های قابل شارژ جدید با تراکم انرژی کافی برای کاربردهای آینده، ارائه شده است. باتری آلومینیوم – هوا یکی از این موارد است.باتری های فلز – هوا طی دهه گذشته به دلیل چگالی و ظرفیت بالای انرژی و همچنین هزینه های نسبتاً کم آنها به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند. چگالی انرژی در این باتری ها در مقایسه با باتری های فلزی – هوایی می تواند ۲ تا ۴۰ برابر بیشتر باشد.از بین انواع مختلف باتری های فلز-هوا، باتری های هوا با فلزات Li ، Na ، K ، Zn ، Mg ، Fe ، Si و Al مورد مطالعه قرار گرفته اند. به طور کلی، باتری های فلزی – هوا از یک آند فلزی، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده اند و دارای انرژی بالایی هستند.لیتیوم در محیط های مرطوب، بی ثبات است و به راحتی در جو اکسید می شود. بر همین اساس تولید باتری های قابل شارژ، سخت تر است. از این جهت، فلزات روی (Zn) و آلومینیوم (Al)، از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست، نسبتاً ایمن هستند و با میزان فراوان در دسترس هستند. به ویژه، Al می تواند در جهان مدرن به مقدار زیاد بازیافت شود.علاوه بر این، باتری آلومینیوم – هوا دارای ولتاژ نظری بالا (۲.۷ ولت) و تراکم انرژی (۸.۱ کیلو وات ساعت در کیلوگرم) هستند که بعد از لیتیوم، در گروه باتری های مختلف فلز- هوا در رتبه دوم قرار دارند.ساختار اصلی باتری آلومینیوم – هوا به طور کلی از یک آند آلومینیوم، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده است. الکترولیت هایی که برای باتری های آلومینیوم- هوا استفاده می شود محلول های آبی هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا کلرید سدیم (NaCl) است که در آنها واکنش های الکتروشیمیایی در الکترولیت های قلیایی در الکترودها را می توان به شرح زیر بیان کرد:در مورد الکترولیت هایی با pH خنثی مانند کلرید سدیم، واکنش Al به دلیل وجود گونه های مخلوط روی سطح Al کاملاً روشن نیست. این گونه ها معمولاً Al-Al2O3-Al(OH)3-H5AlO4 و سایر گونه های پیچیده هستند. با در نظر گرفتن مورد دوم، گسترده ترین واکنش به شرح زیر شرح داده می شود:نگاهی به تاریخچه ابداع باتری آلومینیوم – هواباتری آلومینیوم – هوا اولین بار در سال ۱۹۶۲توسط زارومب (Zaromb) و همکاران پیشنهاد شدند. به دنبال آن، تلاش شد تا آنها در انواع سیستم های ذخیره انرژی از جمله منابع انرژی EV، برنامه های کاربردی وسایل نقلیه هوایی (و تجهیزات زیر آب) بدون سرنشین و سیستم های ارتباطات نظامی استفاده شوند.در سال ۲۰۱۶، محققان نشان دادند که یک EV (سیستم های نقلیه الکتریکی) می تواند با استفاده از باتری آلومینیوم – هوا با وزن ۱۰۰ کیلوگرم، بیش از ۳۰۰۰ کیلومتر رانندگی کند. با این وجود، باتری آلومینیوم – هوا هنوز هم برای کاربرد عملی، چالش های بسیاری دارند؛ مشکلاتی نظیر مانند تجمع محصولات جانبی Al(OH)3 و Al2O3 که می توانند واکنش های الکتروشیمیایی باتری آلومینیوم – هوا را سرکوب کنند.سخن پایانیباتری آلومینیوم – هوا به دلیل ظرفیت بالای انرژی دارای پتانسیل بالا برای کاربردهای عملی است. به طور کلی، تمرکز توسعه آندهای ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم و Al خالص، برای جلوگیری از خوردگی خود به خودی و تشکیل فرآورده های جانبی توصیه شده است.در مورد الکترولیت ها در باتری آلومینیوم – هوا، آنها اجزای حیاتی تعیین کننده قابلیت شارژ مجدد باتری های آلومینیوم-هوا هستند. مواد افزودنی الکترولیت نیز مسئله مهمی است زیرا می تواند باعث بهبود فرآیند خوردگی و تکامل هیدروژن برای بهبود خواص الکتروشیمیایی شود.علاوه بر این، الکترولیت های جامد مختلف با وجود ظرفیت های انرژی ضعیف تر، در مقایسه با الکترولیت های مایع، به دلیل وجود امپدانس زیاد و رابط بین الکترودها و الکترولیت های جامد، مورد بررسی قرار گرفته اند.مواد کاتد هوا نیز اجزای مهمی هستند که می توانند به طور قابل توجهی بر خصوصیات کلی باتری آلومینیوم – هوا تأثیر بگذارند. اگرچه کاتالیزورهای مبتنی بر پلاتین، فعلاً امیدوار کننده ترین ماده کاتالیزوری هستند اما هزینه بالای آنها و کمبود منابع، مانع کاربرد آنها می شود. تحقیقات به گونه ای دنبال می شود که بتوان موارد جایگزین را برای پلاتین استفاده کرد.علاوه بر این، کاتالیزورهای اکسید فلز شامل پروسکیت ها (perovskites)، مواد بلوری اسپینل (spinel)، فلزات و نیتروژن و همچنین مواد کاتالیزوری کربن دار با دو اتم مختلف نیز نوید بخش هستند.علاوه بر این، مطالعات نشان داده است که مواد غیر اکسید مانند نیتریدهای فلزی، کاربیدها، نقاط کوانتومی پایه کربن و کاتالیزورهای تک اتمی نیز می توانند به عنوان مواد کاتالیزوری نسل بعدی در باتری آلومینیوم – هوا استفاده شوند.به طور کلی از آنجا که ظرفیت باتری آلومینیوم – هوا بسیار بیشتر از باتری های یون- لیتیوم است، تولید باتری های قابل شارژ هوا از اهمیت بالایی برخوردار است و می تواند در طراحی سیستم های انرژی شبکه هوشمند استفاده شود.این باتری آلومینیوم – هوا قابل شارژ همچنین می تواند به طور عملی در وسایل نقلیه برقی استفاده شود تا آینده ای سازگار با محیط زیست را تقویت نماید.