סוללת מתכת-אוויר

סוללת מתכת-אוויר היא סוללה שבה לפחות תא אלקטרוכימי אחד המייצר חשמל דרך תגובות חמצון-חיזור בין מתכת לבין החמצן באוויר. הסוללה מאופיינת באנודה של מתכת פעילה (אבץ, ליתיום, אלומיניום ומגנזיום). החומר הקתודי הוא החמצן המגיע מהסביבה ונכנס למערכת באמצעות ממברנת פחמן, כלומר, החומר האקטיבי (המחמצן) אינו אגור בתוך הסוללה דבר שמעלה את צפיפות האנרגיה וגם מוזיל את מחיר הסוללה. ניתן לראות זאת במיוחד במערכת ליתיום-אוויר אשר היא בעלת אנרגיה ספציפית תאורטית גבוהה (11,700Wh/kg) ומתקרבת לערך של בנזין, אחד הנוזלים האנרגטיים ביותר,. במובן זה, סוללת מתכת אוויר היא למעשה מעין הכלאה של תא דלק וסוללה. 
בהשוואה לסוללות ראשוניות (לא נטענות) כגון אבץ-מנגן אוקסיד (סוללות אצבע) וסוללות נטענות כגון עופרת-חומצה (המשמשת למצברים ברכבים), סוללת ניקל מתכת-הידריד וסוללת ליתיום-יון, למשפחת מתכת-אוויר יש צפיפות אנרגיה תאורטית גבוהה בצורה משמעותית.
האלקטרוליט במערכת מתכת-אוויר יכול להיות אלקטרוליט מימי אשר מבוסס על אשלגן הידרוקסידי (KOH) בריכוזים בין 7M-5M . כמו כן המערכת יכולה להיות מבוססת על אלקטרוליטים אל-מימיים אשר מבוססים על ממסים אורגניים או נוזלים יוניים.

אבץ-אוויר

סוללות אבץ אוויר הן מערכות אלקטרוכימיות מסוג מתכת-אוויר שהן מסחריות כיום. ישנם גדלים שונים של תאי אבץ אוויר החל מסוללות כפתור שמשמשות למכשירי שמיעה ועד סוללות גדולות היכולות לשמש כתחליף לסוללות כספית ויכולות לשמש לאוטובוסים חשמליים. סוללות גדולות מאוד מיועדות לשימוש לרכבים חשמליים. ישנן אפליקציות צבאיות העושות שימוש בסוללות אבץ-אוויר בגדלים שונים.
האנודה במערכת כזאת הא חלקיקי אבץ המחוברים בביינדר (חומר מחבר) שיהיה בדרך כלל פוליאתילן אוקסיד. את האנודה מספיגים באלקטרוליט. הקתודה היא קתודת האוויר. תוך כדי הפריקה נוצרים יוני Zn(OH)4⁻², יוני הזינקט משתקעים על קתודה בצורת ZnO ומים חוזרים לאלקטרוליט. כלומר מים ויוני הידרוקסיל ממוחזרים בקתודה, כתוצאה מכך האלקטרוליט לא נצרך בתגובה. לתא מתח תאורטי של 1.65V, היורד לערכים של 1.35-1.4V בתא אמיתי.

אלומיניום-אוויר

סוללות אלומיניום–אוויר הן בעלות אחת מצפיפויות האנרגיה הגבוהות ביותר מכל הסוללות: אנרגיה ספציפית של 1300 וואט שעה לק"ג, אך לא נעשה שימוש רב בסוללות מסוג זה עקב מחירן הגבוה יחסית ובעיות של פריקה עצמית בגלל קורוזיה של אלומיניום בסביבה אלקלינית. כמו כן קיימות בעיות של תוצרי לוואי כמו שקיעה של אלומינטים ועקב כך ירידה בריכוז האלקטרוליט. בעיות אלו הגבילו את השימוש בסוללות אלומיניום אוויר לאפליקציות צבאיות בלבד. שימוש בסוללות אלומיניום אוויר ברכבים חשמליים יוכל לספק טווח נסיעה בין תדלוקים של יותר מאשר פי 10 עד 15 ביחס לסוללות עופרת-חומצה, עבור אותו משקל סוללה.
נכון ל-2012, סוללות אלומיניום הן תאים ראשוניים, כלומר לא ניתנים לטעינה חשמלית. בתהליך הפריקה האלומיניום יוצר אלומיניום הידרוקסיד אשר בין היתר מונע אפשרות טעינה חשמלית. אך ניתן לטעון את הסוללה בצורה מכנית על ידי רגנרציה של אלומיניום הדרוקסיד לאלומיניום בתהליכים כימיים. לאחר הרגנרציה ניתן להכניס את האנודה לתא אלומיניום אוויר לשימוש נוסף. לשימוש של רכבים חשמליים דבר זה יהיה דומה למודל של חברת בטר פלייס של תחנות החלפת סוללות.

ליתיום-אוויר

סוללות ליתיום-אוויר הוצעו כבר בשנות ה-70 של המאה ה-20 כמקור הספק לרכב חשמלי, אך רק לקראת סוף המאה ה-20 נוצרו התנאים הטכנולוגיים (בעיקר בתחום החומרים) המתאימים לתחילת מחקר ופיתוח של סוללות אלו. קיימים ארבעה סוגים של תאי ליתיום אוויר (לפי סוג האלקטורליט): א-פרוטי, מיימי, מוצק ועירוב בין אפרוטי ומיימי. האפליקציה העיקרית שהסוללות מיועדות לה היא פתרונות לתחבורה. הודות לצפיפות האנרגיה של המערכת, הסוללה יכולה להתחרות עם מערכות מבוססות דלק המוכרות לנו היום. סוללה זו נמצאת בפיתוח בקבוצות האלקטרוכימיה המובילות בעולם.
סוללות מתכת אוויר מבוססות ליתיום מראות ביצועים טובים יותר מסוללות אחרות הודות לצפיפות האנרגטית הגבוהה יותר של הליתיום ביחס לחומרים אחרים.

מגנזיום-אוויר

לסוללות מגנזיום–אוויר יש צפיפות אנרגיה (נפחית) ואנרגיה ספציפית (ליחידת מסה) גבוהות המאפיינות את רוב סוללות המתכת-אוויר: צפיפות אנרגיה של 6859W∙hr/l, ואנרגיה ספציפית של 3942W∙hr/kg, עקב כך שימושים אפשריים לסוללות אלו כוללים מכשירים הצורכים אנרגיה לטווח ארוך, ואפילו כלי תחבורה. בשנות השבעים נעשו ניסיונות לחקור מערכות אשר התבססו על אלקטרוליט מיימי. הבעיות היו קורוזיה, יצירת גז מימן, חוסר יציבות בשכבת המגנזיום בסביבה חומצית ויצירת שכבת פסיבציה אשר אינה מאפשרת פריקה של האנודה בסביבה בסיסית. כמו כן, יש פולריזציה (קיטוב) גדולה בקתודת האוויר.
יותר מאוחר נעשו ניסיונות לחקור בטריות מגנזיום נטענות על בסיס אלקטרוליטים אל-מימיים (מבוססים על חומרים אורגניים ללא מים), אך ללא קתודת אוויר וללא אוויר כאחד המגיבים. האתגר העיקרי לפיתוח מערכת הכוללת אוויר כמגיב הוא למצוא אלקטרוליטים התומכים במערכת המאפשרת זרמים גבוהים לטעינה ופריקה אך גם יציבים בחשיפה לאוויר.

יתרונות

היתרון הבולט ביותר של מערכות מתכת-אוויר הוא צפיפות האנרגיה שלהן. דבר הנובע מכך שהחומר הקתודי הפעיל (מחמצן) אינו אגור בתוך התא עצמו אלא עושה שימוש בחמצן אטמוספירי הנמצא בסביבה. עובדה זו מביאה יתרון נוסף של מערכות מסוג זה: המחיר הכולל של התא יורד משמעותית עקב שימוש בחמצן אטמוספירי אשר אינו עולה כסף, בניגוד לסוללות אחרות העושות שימוש בחומרים קתודיים יקרים.

אתגרים

כמו טכנולוגיות סוללות אחרות, גם סוללות מתכת-אוויר סובלות מבעיות מדעיות וטכנולוגיות. האתגרים העיקריים הם הניצולת הנמוכה של האנודה והקינטיקה האיטית של הקתודה.

אנודות

באנודה מתקיימים תהליכי פסיבציה ו/או קרוזיה במגע עם האלקטרוליט. תוצרי הקרוזיה והפסיבציה כגון אוקסידים או הידרוסידים הן של מתכת והן צורונים אחרים על פני השטח של האנודה מונעים את הגישה של האלקטרוליט לפני המתכת ועל ידי כך מונעים המשך פריקה של האנודה (מתכת) או אפשרות של טעינתה. פריקה עצמית וקורוזיה של אנודת המתכת מקטינות את האפקטיביות הקולומבית של האנודה ואת זמן חיי הסוללה

קתודות

עבור קתודה (קתודת האוויר), האתגרים העיקרי הם קצבי הראקציה האיטיים, פוטנציאלי יתר גבוהים והפיכות גרועה של תגובת החמצון. התגובות בקתודה מערבות תהליכים מורכבים אשר לא תמיד ידועים. באופן לא מפתיע אלקטרודות האוויר מהוות את האתגר הדומיננטי בשיפור ביצועי מערכות מתכת-אוויר.

שימושים

באופן עקרוני, סוללות מתכת-אוויר מיועדות לשמש כמקור אנרגיה להנעת רכבים חשמליים, הודות לצפיפות האנרגיה שלהם. כיום סוללות אלו (נכון להיום רק סוללת אבץ אוויר מסחרית) משמשות כמקור כוח במכשירי שמיעה ולאפליקציות צבאיות.