باتری آلومینیوم هوا؛ ویژگی ها، ساختار و عملکرد

عدم قابلیت شارژ aluminum-air-battery ساختار باتری آلومینیوم هوا معادلات واکنشی گام به گامباتری آلومینیوم هوا(aluminum-air-battery)؛ چیستی و چگونگی عملکرد و اساس کارآنچه پیش رو دارید، تشریح و تبیین ویژگی ها و ساختار و عملکرد نوع خاصی از باتری های فلز هوا مبتنی بر آلومینیوم موسوم به باتری آلومینیوم هوا است. این نوع باطری فلز هوا نیز مانند سایر مدل ها، بر اساس اکسید شدن فلز آلومینیوم در محیط الکترولیتی با اکسیژن هوا کار می کند.این اکسیداسیون و ایجاد تعادل شیمیایی و الکتریکی، همراه با تولید انرژی الکتریکی است. محیط الکترولیتی بیش از هر چیز دیگر، این امکان را فراهم می سازد که آلومینیوم به صورت یون آلومینیوم مثبت در الکترولیت در آید.این یون آلومینیوم به راحتی واکنش داده و در برابر یون هیدروکسید موجود در آب، که خود از در معرض اکسیژن بودن آب و محیط الکترولیتی شکل می گیرد، تشکیل هیدروکسید آلومینیوم می دهد. نکته اینکه در بیشتر باتری های فلز هوا، فرایند اکسید شدن مستقیم بوده و تشکیل اکسید فلز می دهند.اما در باتری آلومینیوم هوا تشکیل هیدروکسید آلومینیوم صورت می پذیرد. از این رو این باتری فلز هوا اندکی با دیگر باتری ها متفاوت است. در شکل زیر یک باتری آلومینیوم هوا نمایش داده شده است.یک باتری آلومینیوم هوا معادلات شیمیایی باطری آلومینیوم هوابد نیست نگاهی به معادلات شیمیایی و الکتریکی باتری فلز هوا بیندازیم. واکنش در آند به این ترتیب است که فلز آلومینیوم در مجاورت یون های منفی هیدروکسید، به هیدروکسید آلومینیوم تبدیل شده و اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند.در کاتد اما از مجاورت اکسیژن هوا و آب، یون هیدروکسید به وجود می آید که یون مورد نیاز آند را فراهم می کند. باید دقت داشت ترسیم یون های فلزی یا یون های هیدروکسید در نزدیکی آند یا کاتد اشتباه است و الکترولیت، مملوّ از یون است. اینکه باتری در مرحله شارژ یا دشارژ است و مسیر الکترون ها به چه سمتی است و باتری انرژی دریافت می کند یا تحویل می دهد، تعیین کننده ی تراکم بیشتر یون در مجاورت یکی از آند یا کاتد خواهد بود.در مجموع فلز آلومینیوم در حضور آب و اکسیژن، مقادیری هیدروکسید آلومینیوم و 2.71 ولت اختلاف پتانسیل (به صورت تئوری) به دست می دهد. متاسفانه هیدروکسید آلومینیوم، ماده‌ی بسیار بدی است؛ چرا که به صورت پودر رسوب کننده نبوده و به شکل ژله ای چسبناک، به آند می چسبد و خیلی زود مسیر واکنش را متوقف می سازد. تلاش های زیادی انجام شده تا با استفاده از ماده ای (افزودنی) additive در الکترولیت، این رسوب ژله ای را به رسوبی مانند دیگر اکسید های فلزی تبدیل کند.واکنش های شیمیایی باتری آلومینیوم هوا عدم قابلیت شارژ aluminum-air-batteryقبل از پرداختن به ساختار باتری آلومینیوم هوا، لازم به ذکر است هیدروکسید آلومینیوم حتی با دریافت انرژی در فرایند شارژ، قابلیت احیا و آزادسازی اکسیژن و آب و آلومینیوم ندارد. به عبارتی معادلات شیمیایی ذکر شده، برگشت پذیر نبوده و فقط روی کاغذ مسیر برگشت وجود دارد.این به این معنی است که باطری آلومینیوم هوا، عملا قابلیت شارژ مجدد نداشته و شارژ مجدد آن به صورت مکانیکی همراه با خارج کردن رسوبات چسبنده ی ژله ای هیدروکسید آلومینیوم، اضافه کردن آب، قرار دادن آند آلومینیومی، به صورت مکانیکی است. در واقع بعد از دشارژ باتری آلومینیوم هوا، فقط پوسته، الکترولیت و صفحه کاتدی (صفحه ای که واکنش کاتد برروی ان صورت می پذیرد) آن قابل استفاده ی مجدد خواهد بود.البته هیدروکسید آلومینیوم ماده ی مضری برای طبیعت نیست و دوستدار طبیعت بودن باتری آلومینیوم هوا، کماکان به قوت خود باقی است اما اینکه حتی یک سیکل شارژ و دشارژ برای باتری آلومینیوم هوا قابل تصور نیست، نکته ی بسیار مهمی تلقی می شود. در عین حال باطری آلومینیوم هوا دارای چنان مزایای ویژه ای در ظرفیت انرژی است و آلومینیوم چنان فلز ارزان و فراوان و دوستدار طبیعیت محسوب می شود که به رغم این نقطه ضعف، فناوری در زمینه ی این باتری فلز هوا در حال تکامل و بلوغ است.ساختار باتری آلومینیوم هواساختار باتری آلومینیوم هوا مانند هر باتری فلز هوای دیگر است. در شکل زیر این ساختار نمایش داده شده است. آند از آلومینیوم یا آلیاژی از آن است. کاتد از هوای محیط مملوّ از اکسیژن شکل یافته که از ساختاری متخلخل شامل نیترات ها و کربن فعال به همران کاتالیست هایی همانند عناصر تک اتمی تشکیل شده است. الکترولیت نیز یک محلول مناسب رسانای یون است.ساختار یک باتری آلومینیوم هوا این ساختار مشابه در شکل زیر نیز نمایش داده شده است که در آن آند آلومینیومی و کاتد هوایی و ساختار متخلخل همراه با کاتالیست در مجاورت کاتد به چشم می خورد.اما نکته ی جدید این ساختار، لایه ای ناخواسته اما حقیقی از هیدروکسید آلومینیوم است که به تدریج بین الکترولیت رسانای محلول نمکی مملو از یون و آند فلزی آلومینیومی، فاصله و غشا ایجاد می کند و اگر این مشکل حل نشود، به رغم وجود فلز در آند و بقای ظرفیت انرژی، قابلیت انجام واکنش و تولید انرژی خیلی زود از دست می رود. این که از غشاهای متخلخل فلزی مش مانند برای معبر اکسیژن و در عین حال جمع کننده ی جریان استفاده شود، همانند هر باتری فلز هوای دیگری عرف و بدیهی است.ساختار باتری آلومینیوم هوا معادلات واکنشی گام به گاممراحل معادلات شیمیایی و تعادل الکتریکی در یک باتری آلومینیوم هوا، در تصاویر زیر نشان داده شده است. فراموش نشود که این معادلات به صورت پیوسته در حال انجام است و هیچ توالی در انجام آن قابل تصور نیست و صرفا این توالی بیان شده به منظور درک بهتر مفهوم است.در ابتدا، هیچ واکنشی مفروض نبوده و هوای بیرون باتری آلومینیوم هوا، مملوّ از اکسیژن است. البته دی اکسید کربن نیز در محیط وجود دارد؛ اما چنانچه در تصاویر دیده می شود، الکترولیت باطری آلومینیوم هوا، که عموما هیدروکسید پتاسیم محلول در نظر گرفته می شود، علاقه ی چندانی به واکنش با کربن محیطی ندارد.شروع فرایند : هوای مملوّ از اکسیژن در مجاورت کاتد با ورود اکسیژن از غشای متخلخل کاتد، این اکسیژن در مجاورت آب تولید یون های هیدروکسید را نموده و تعادل الکتریکی سلول شیمیایی به نفع تولید اختلاف پتانسیل تغییر می کند. الکترولیت محلول نمکی هیدروکسید پتاسیوم در آب، فضای لازم برای تولید و رسانایی این یون را فراهم می کند. همانگونه که مشخص است، کربن محیطی در واکنش کاتدی نقشی ندارد.واکنش کاتدی در باتری آلومینیوم هوا در فاز بعد، محیط الکترولیتی نقش خود را ایفا نموده و یون های هیدروکسید را به سمت آند سوق می دهد. شایان ذکر است هیچ گاه جریان یک سویه مطلقی برای حرکت یا حضور یون های هیدروکسید در الکترولیت وجود ندارد و صرفا حسب شارژ یا دشارژ، تراکم یون در نزدیک یکی از آند یا کاتد افزایش می یابد.نقش الکترولیت در ساختار باتری آلومینیوم هوا در آند با دریافت تراکم یون هیدروکسید، آلومینیوم وارد واکنش شده و در ازای تولید هیدروکسید آلومینیوم، تعادل شیمیایی و الکتریکی سلول را به نفع تولید بیشتر اختلاف پتانسیل سوق می دهد.واکنش آندی در باتری آلومینیوم هوا تعادل الکتریکی سلول شیمیایی یا سلول شبه گالوانی که باتری آلومینیوم هوا نامیده شده، با گسیل الکترون و ایجاد اختلاف پتانسیل و برقراری جریان الکتریکی خود را نشان می دهد. متاسفانه در باتری آلومینیوم هوا، مسیر این الکترون ها معکوس نخواهد شد. به عبارتی به رغم اعمال اختلاف پتانسیل معکوس و صرف انرژی، تزریق الکترون باعث فرایند معکوس احیای آلومینیوم نخواهد شد و باتری آلومینیوم هوا، شارژ نمی شود.برقراری جریان الکتریکی ناشی از اختلاف پتانسیل برای ایجاد تعادل الکتریکی تجاری سازیباتری آلومینیوم هوا، باتری فلز هوایی است که به لحاظ تئوری ۶۰۰۰ الی ۸۰۰۰ واحد ظرفیت انرژی ویژه دارد؛ اما به لحاظ کاربردی و پیاده سازی، این مقدار بیش از ۱۳۰۰ واحد نخواهد بود.در شبیه سازی ها، کارایی باتری آلومینیوم هوا را تا ۸ برابر باتری های یون لیتیومی مرسوم ارزیابی می نمایند. در عین حال، لازم بودن اقدامات مکانیکی برای شارژ مجدد باتری، نقطه ضعف بزرگی محسوب شده و سبب شده به برخی کاربردهای خاص نظامی محدود شود.این که از آلیاژهای ارزان قیمت آلومینیوم و قلع می توان در آند استفاده کرد و اینکه آلومینیوم فلز سبکی محسوب می شود، امتیاز مهمی در ارزیابی ظرفیت انرژی ویژه ی باتری آلومینیوم هوا است. باطری آلومینیوم هوا حتی با آب شور طبیعی هم کار می کند که البته مقادیر اختلاف پتانسیل یا ولتاژ کمتر در حدود ۰.۷ ولت را در اختیار می گذارد.عموما از هیدروکسید پتاسیوم محلول در آب به عنوان الکترولیت استفاده می شود؛ اینکه با یک بار شارژ مکانیکی، حدود ۲۴۰۰ کیلومتر قابلیت رانندگی وجود داشته باشد و برای هر ۱.۶ کیلومتر، هزینه ای در حدود ۱۰ سنت دلار براورد شود، گزینه ی اشتیاق آوری برای ادامه ی تحقیق و توسعه و تجاری سازی در باطری آلومینیوم هوا محسوب می شود. در شکل زیر یک خودروی آزمایشی با استفاده از باتری آلومینیوم هوا نمایش داده شده است.یک خودرو برقی با استفاده از باتری آلومینیوم هوا اصلاح یک اشتباهتصویر زیر که به صورت گسترده در منابع اینترنتی به عنوان ساختاری از یک باتری آلومینیوم هوا معرفی شده، اشتباه بوده و در ساختار آن هیچ اثری از آلومینیوم نیست که لازم مخاطبان محترم دقت لازم را مبذول نمایند.سلول شیمیایی که به اشتباه باتری آلومینیوم هوا محسوب می شود ظرفیت ویژه انرژی باطری_آلومینیوم_ هوا؛برای باتری های فلز هوا، یک ویژگی مهم با عنوان انرژی ویژه یا ظرفیت انرژی ویژه با واحد وات ساعت بر کیلوگرم تعریف می شود. این مقدار عبارت است از میزان انرژی الکتریکی بر حسب وات ساعت ( و نه ژول) که هر کیلوگرم از باتری تامین می کند. واحد جرم در مخرج، بیانگر این است که اندک بودن جرم نهایی باتری برای تامین میزان مطلوب انرژی بسیار مهم است.مصرف فلزات و الکترولیت و همچنین استفاده از باتری های فلز هوا در فناوری های حمل و نقل، بر اندک بودن ترجیحی جرم باتری تاکید دارد. واقعیت آن است که باتری آلومینیوم هوا در این ویژگی بی نظیر و زبانزد است. دست کم پیاده سازی های آزمایشگاهی گویای این مطلب است و فناوری باتری های فلز هوا، به سرعت در صدد رفع چالش هایی است که در مقابل باتری آلومینیوم هوا وجود دارد.پیاده سازی کاتداکنون که قدری در خصوص الکترولیت باتری آلومینیم هوا بررسی صورت گرفته است، اشاره به نکاتی در خصوص کاتد و پیاده سازی آن نیز خالی از لطف نیست. کاتد در باتری های فلز هوا، با کربن فعال پیاده سازی می شود.به هر حال صرف بودن کربن، سبب پدید آمدن دی اکسید کربن محلول در الکترولیت می شود و در صورت وجود کلسیم، رسوب سخت و مشکل ساز کربنات کلسیم دور از ذهن نیست. استفاده از فلزات گرانبها مانند طلا، نقره، پلاتین، پالادیوم، ایریدیوم عالی است؛ اما هزینه ها را به طرز وحشتناک افزایش می دهد.استفاده از مس و کبالت اخیراً پیشرفت قابل ملاحظه ای داشته و اکسید کبالت، نتایج مطلوب و ارزانی را در بر داشته است. در شکل زیر راهکارهای پیاده سازی کاتد نمایش داده شده است.راهکارهای پیاده سازی کاتد متخلخل باتری آلومینیوم هوا(aluminum-air-battery)؛ چیستی و چگونگی عملکرد و اساس کاربا گسترش تجهیزات و وسایل الکتریکی و الکترونیکی، موضوع منابع تغذیه و تامین توان الکتریکی مورد نیاز از طریق باتری های قابل شارژ مجدد، به یکی از لبه های فناوری و موضوعات در دست بررسی محققان و پژوهشگران تبدیل شده است.عمر مفید زیاد، قابلیت شارژ مجدد برای تعداد دفعات بسیار زیاد، توان الکتریکی قابل‌توجه در واحد وزن، سرعت کم افت کیفیت، سرعت اندک تغییرات در ویژگی های شیمی الکتریکی باتری و غیره، همه و همه از نکاتی است که باتری های مختلف و اصول عملکرد متفاوت آنها را در مقایسه با یکدیگر قابل ارزیابی می نماید. در این بین، باطری آلومینیوم هوا یکی از موضوعات سرآمد مستقر در لبه دانش و فناوری است.استفاده از کاتالیزورها و الکترولیت ها بر این موارد عوارض نیز می افزاید که به نظر می رسد تجاری سازی کامل فناوری باتری آلومینیوم هوا کماکان با چالش‌های بزرگ روبرو باشد.باتری آلومینیم هوا فناوری بسیار جدید در لبه دانش و در حال گسترش و توسعه است و مزایای ویژه آن، تراکم انرژی بسیار بالا و ایمنی در استفاده است.در هر حال برای انتخاب فلز مورد استفاده در باطری آلومینیوم هوا توجه به موضوع چگالی انرژی خاص فوق العاده اهمیت دارد. موضوع دیگر ولتاژ مدار باز تولید شده توسط باتری آلومینیوم هوا است.عدم آلوده سازی محیط زیست و بی اثر فلز یا اکسید فلز بر سلامتی انسان، همچنین فراوانی و قیمت فلز مورد استفاده در باتری آلومینیوم هوا همگی از پارامترهای موثر بر توسعه ی این تکنولوژی است.نواسی و سانیوادر این بین اقدام طراحان و سازندگان باتری آلومینیوم هوا در تکنولوژی و مواد خام و فلزات، به صورت بومی و به تبع ارزان و قابل دسترس در هر کشور، یک اقدام اساسی است. همین اقدام اساسی در طراحی تولید باتری سانیوا، سلول شیمیایی فلز هوا ایرانی و بومی که توسط شرکت نواسی بهینه سازی شده، مدنظر قرار گرفته و عملا غالب مواد اولیه ساخت آن، بومی است.آنچه در اواخر سال ۱۳۹۹ رسانه ای شد، حاکی از آن است که باطری آلومینیوم هوا ایرانی عملاً نیمه تجاری سازی شده و قرار است با ۵ برابر چگالی انرژی باتری های لیتیومی یونی موجود، قابلیت تامین توان الکتریکی را داشته باشد.با توجه به کاربرد گسترده باتری های قابل شارژ در صنایع خودرو، موضوع ایمنی و عدم اشتعال و عدم انفجار در صورت بروز سوانح رانندگی، موضوع حائز اهمیتی است که این زمینه نیز در باطری آلومینیم هوا گارانتی بوده و قابلیت انفجار و اشتعال وجود ندارد.به رغم اینکه از اصلی ترین کاربردهای باتری آلومینیوم هوا در سطح جهان، صنایع خودرو بوده، این نوع باتری در صنایع نظامی و همچنین سیستم های پشتیبان و دستگاه های مخابراتی نیز دارای کاربرد گسترده است. به عبارتی کاربرد و زمینه هایی که به انرژی بسیار زیاد پایدار، حتی بدون دسترسی به شارژ مجدد باتری ها نیاز دارند، می توانند از باطری آلومینیوم هوا بهره برداری نمایند.باعث افتخار است همزمان و همراه با فعالیت ابر شرکت های تکنولوژی جهان و غول های فناوری دنیا، شرکت نواسی نیز در راستای تولید و بومی سازی و تجاری سازی باتری آلومینیوم هوا از سال ۱۳۹۸ اقدام نموده و پس از تولید نمونه های آزمایشگاهی، درخواست ثبت سفارش برای تجاری سازی محصول خود سانیوا را نیز داشته است.