باتری های بر پایه فلز روی

باتری های بر پایه فلز روی سابقه طولانی در زمینه ذخیره سازی انرژی دارند که به قرن نوزدهم باز می گردد. این باتری ها با انواع و کاربردهای متنوع خود، طیف وسیعی از مزایای از جمله ایمنی، مقرون به صرفه بودن و سازگاری با محیط زیست را ارائه می دهند. با وجود رقابت با سایر فناوری‌های باتری، باتری‌های مبتنی بر روی همچنان به تکامل خود ادامه می‌دهند و نوید باتری های کارآمد را در آینده دارند. این مقاله انواع، خواص، واکنش‌های الکتروشیمیایی، اجزا، کاربردها، سهم بازار، چالش‌ها و جهت‌گیری‌های تحقیقاتی آینده در زمینه باتری های بر پایه روی را پوشش می‌دهد.

مقدمه

باتری های بر پایه روی کاندیدای اصلی برای دوران پس از لیتیوم هستند. شکل 1 نمودار راگون را نشان می دهد که ویژگی های انرژی و توان ویژه چندین باتری مبتنی بر روی تجاری را با باتری های لیتیوم یون و سرب-اسید مقایسه می کند.

روی یکی از رایج ترین عناصر در پوسته زمین است. در تمام قاره ها وجود دارد و به طور گسترده در سراسر جهان با قیمت های مقرون به صرفه تولید می شود. باتری‌های مبتنی بر روی نیز پتانسیل استفاده از تکنیک‌های تولید کم‌هزینه را دارند زیرا به شرایط خاص اتاق خشک نیاز ندارند. روی و اکسید روی به راحتی توسط فرآیندهای الکتروشیمیایی، شیمیایی یا حرارتی بازیافت می شوند. بازیافت باتری‌های مبتنی بر روی قبلاً برای باتری‌های روی اولیه ایجاد و تجاری شده است.

باتری های روی تاریخچه ای طولانی دارند و اولین مقالات علمی در مورد باتری Zn-Cu به بیش از 200 سال قبل برمی گردد. اگرچه در حال حاضر به طور گسترده به عنوان باتری های اولیه (باتری قلیایی، باتری روی-کربن، باتری دکمه ای روی-هوا و غیره) توزیع شده اند، اما باتری های روی قابل شارژ برای تجاری سازی گسترده نیاز به تحقیقات بیشتر دارند. با این حال، موج جدیدی از شرکت های نوپا در حال ترویج فناوری باتری های قابل شارژ روی هستند.

مزیت کلیدی باتری‌های روی، پایداری الکترودهای فلز روی در الکترولیت‌های آبی است که ظرفیت تئوری زیادی را فراهم می‌کند (819.7 mAh/g 5847.2mAh/cm3). تولید هیدروژن در نتیجه الکترولیز آب از نظر ترمودینامیکی روی فلز روی امکان پذیر است، اما می توان از طریق سینیتیکی این مشکل را تا حدودی کاهش داد.
الکترولیت های آبی نه تنها هزینه کم و ایمنی ذاتی بالا را ارائه می دهند، بلکه طراحی متنوعی می توان روی ساخت باتری های بر پایه الکترولیت آبی اجرا کرد.

انواع باتری های بر پایه روی

1- باتری روی-کربن

باتری‌های روی کربن از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین باتری‌های اولیه هستند. آنها از یک آند روی، یک کاتد میله کربنی و یک خمیر الکترولیت معمولاً از کلرید آمونیوم و کلرید روی تشکیل شده‌اند. این باتری ها به دلیل قیمت پایین و سهولت ساخت شناخته می شوند.

سلول روی-کربن از یک آند روی و یک کاتد دی اکسید منگنز استفاده می کند. کربن برای افزایش رسانایی و حفظ رطوبت به کاتد اضافه می شود. این دی اکسید منگنز است که در واکنش شرکت می کند، نه کربن. شکل 2 ساختار کلی باتری روی-کربن را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode: Zn → Zn²⁺ + 2e^–

Cathode: 2NH₄⁺ + 2MnO₂ + 2e^– → Mn₂O₃ + H₂O + 2NH₃3

ویژگی های باتری روی-کربن

• چگالی انرژی پایین
• ارزان
• ماندگاری کوتاه
• مناسب برای دستگاه های با نرخ تخیله پایین

کاربردها

• چراغ قوه
• ساعت
• اسباب بازی
• دستگاه کنترل از راه دور

سهم بازار

باتری‌های روی کربن به دلیل افزایش باتری‌های قلیایی و قابل شارژ، سهم بازار رو به کاهشی دارند. آنها هنوز سهمی جزئی در کاربردهای کم هزینه دارند.

2- باتری روی-هوا

باتری‌های روی-هوا از اکسیژن هوا به‌عنوان واکنش‌دهنده کاتدی استفاده می‌کنند که آن‌ها را سبک وزن و پرانرژی می‌کند. این باتری ها معمولا در دستگاه های کوچک و قابل حمل استفاده می شوند.

به طور کلی، یک محلول قلیایی آبی با غلظت بالا (NaOH یا KOH) به عنوان الکترولیت استفاده می شود که نه تنها می تواند یک محیط قلیایی ایجاد کند، بلکه می تواند رسانایی یونی کافی را نیز فراهم کند. غشاء معمولاً یک غشای تبادل آنیونی است که اجازه حرکت آزادانه آنیون ^–OH را می دهد و از عبور کاتیون Zn⁺² جلوگیری می کند. شکل 3 ساختار کلی باتری روی-هوا را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Cathode: O² + 2H₂O + 4e^– → 4OH^–

Anode: Zn + 2OH^– → ZnO + H₂O + 2e^–

ویژگی های باتری روی-هوا

• چگالی انرژی بالا
• سبک وزن
• نسبتا ارزان قیمت
• متکی به هوای محیط است لذا کاربرد آنها در محیط های ایزوله امکان پذیر نیست.

کاربردها

• سمعک
• تجهیزات پزشکی
• سنسورهای بی سیم

سهم بازار

باتری‌های روی-هوا بازار ویژه‌ای دارند، به‌ویژه در سمعک‌ها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی کوچک که بازیگران مهمی هستند.

3- باتری های قلیایی (Alkaline)

باتری های قلیایی یکی از پرکاربردترین باتری های اولیه هستند. آنها به واکنش بین روی و دی اکسید منگنز متکی هستند و تعادل خوبی از هزینه، چگالی انرژی و ماندگاری ارائه می دهند.

در مقایسه با باتری‌های روی-کربن از نوع Leclanché سلولی یا کلرید روی، باتری‌های قلیایی چگالی انرژی بالاتر و ماندگاری طولانی‌تری دارند، اما ولتاژ یکسانی دارند.

باتری قلیایی نام خود را به این دلیل گرفته است که به جای الکترولیت کلرید آمونیوم اسیدی (NH₄Cl) یا کلرید روی (ZnCl₂) در باتری‌های روی کربن، از الکترولیت قلیایی هیدروکسید پتاسیم (KOH) استفاده می کند. شکل 4 ساختار باتری قلیایی را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode: Zn(s) + 2OH⁻(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e^–

Cathode: 2MnO₂(s) + 2H₂O(l) + 2e⁻ → 2MnO(OH)(s) + 2OH⁻(aq)

ویژگی های باتری قلیایی

• چگالی انرژی بالاتر از باتری های روی-کربن
• ماندگاری طولانی
• عملکرد قابل اعتماد در دستگاه های با تخلیه بالا

کاربردها

• چراغ قوه
• وسایل الکترونیکی قابل حمل (مانند رادیو، دوربین)
• اسباب بازی
• دستگاه های کنترل از راه دور

سهم بازار

باتری های قلیایی سهم بازار قابل توجهی را در سطح جهانی دارند و با باتری های لیتیومی و قابل شارژ برای لوازم الکترونیکی مصرفی رقابت می کنند.

4- باتری روی-نقره

باتری‌های اکسید روی-نقره، چگالی انرژی بالا و خروجی ولتاژ پایداری را ارائه می‌کنند که آنها را برای کاربردهای با تخلیه بالا و فشرده مناسب می‌کند. با این حال، هزینه بالاتر آنها به دلیل استفاده از نقره، استفاده گسترده آنها را محدود می کند.

برای اولین بار در دهه 1950 از باتری Ag-Zn در زمینه پیشرانه اژدر و شناورهای زیردریایی استفاده شد. در حال حاضر باتری‌های نقره-روی، به‌ویژه، برای تأمین انرژی کاربردهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر، که در آن واکنش‌دهنده‌ها مستقیماً در بسترهای انعطاف‌پذیر، مانند پلیمرها یا کاغذ، با استفاده از روش‌های چاپ یا رسوب شیمیایی ادغام می‌شوند، توسعه می‌یابند.

باتری نقره-روی در شرایط کاملاً دشارژ ساخته می شوند و کاتد از نقره فلزی است، در حالی که آند مخلوطی از اکسید روی و پودرهای روی خالص است. الکترولیت مورد استفاده محلول هیدروکسید پتاسیم در آب است. شکل 5 ساختار باتری روی-نقره را نمایش می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode: 2 Ag(s) + 2 OH⁻ → Ag₂O + H₂O + 2 e⁻

Ag₂O + 2 OH⁻ → 2 AgO + H₂O + 2 e⁻

Cathode: 2 Zn(OH)₂ + 4 e⁻ ⇌ 2 Zn + 4 OH⁻

ویژگی های باتری روی-نقره

• چگالی انرژی بالا
• خروجی ولتاژ پایدار
• گران قیمت است

کاربردها

• ساعت ها
• تجهیزات پزشکی
• ماشین حساب

سهم بازار

این باتری ها بازار ویژه ای دارند، به ویژه در کاربردهایی که به اندازه فشرده و ولتاژ پایدار نیاز دارند.

5- باتری روی-نیکل

باتری های روی-نیکل از الکترولیت های قلیایی استفاده می کنند و جزو باتری های قابل شارژ طبقه بندی می شوند. باتری‌های نیکل روی دارای منحنی شارژ-دشارژ مشابه سلول‌های 1.2 ولت NiCd یا NiMH هستند، اما با ولتاژ اسمی بالاتر در حدود 1.6 ولت. باتری روی-نیکل سابقه بسیار طولانی دارد و برای اولین بار توسط توماس ادیسون در سال 1901 معرفی شده است. تحقیقات در مورد باتری های روی-نیکب به دلیل ظرفیت های عملی کم در سالیان گذشته به کندی پیش رفته است. با این حال، تحقیقات اخیر با انگیزه ممنوعیت باتری های نیکل-کادمیم در اتحادیه اروپا منجر به پیشرفت قابل توجهی شده و ممکن است این تحقیق را احیا کند.

باتری‌های روی-نیکل در کاربردهای با تخلیه بالا عملکرد خوبی دارند و ممکن است پتانسیل جایگزینی باتری‌های سرب-اسیدی را داشته باشند زیرا نسبت انرژی به جرم بالاتر و نسبت توان به جرم بالاتری دارند. باتری‌های روی-نیکل ارزان‌تر از باتری‌های نیکل-کادمیم هستند و انتظار می‌رود که قیمتی بین انواع نیکل-کادمیم و سرب-اسید داشته باشند. باتری نیکل-روی ممکن است به عنوان جایگزینی برای نیکل-کادمیم استفاده شود. یکی از معایب آن افزایش نرخ خود تخلیه پس از حدود 30 تا 50 چرخه است، به طوری که باتری ها تا زمانی که نو هستند شارژ خود را حفظ نمی کنند. شکل 6 ساختار کلی باتری روی-نیکل را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode:  Zn + 4 OH⁻ ⇌ Zn(OH)₄²⁻ + 2e⁻

Zn(OH)₄²⁻ ⇌ Zn(OH)₂ + 2OH⁻

Zn(OH)₂ ⇌ ZnO + H₂O

Cathode:  2 NiO(OH) + 2 H₂O + 2 e⁻ ⇌ 2 Ni(OH)₂ + 2 OH⁻

ویژگی های باتری روی-نیکل

• چگالی توان بالا
• پایداری خوب دوچرخه سواری
• سازگار با محیط زیست
• خود دشارژی (Self-discharge) بالا

6- باتری روی یون

باتری روی یون از چهار جزء تشکیل شده است، یک آند فلز روی، یک کاتد اکسیدهای فلزی، یک جداکننده و یک الکترولیت. به طور کلی، اکسیدهای فلزی به عنوان مواد کاتدی در باتری‌های یون روی، از جمله مواد بر پایه منگنز، پایه وانادیوم و Prussian blue و مواد کاتدی آلی استفاده می‌شوند.

در سال 2011، گروه Feiyu Kang برای اولین بار ورود یون روی برگشت پذیر را در ساختار دی اکسید منگنز نوع آلفا (MnO2) که به عنوان کاتد در یک باتری روی یون استفاده می شود، معرفی کرد.

دانشگاه واترلو در کانادا دارای حقوق ثبت اختراع فناوری باتری یون روی است که در آزمایشگاه های آن توسعه یافته است. شرکت کانادایی Salient Energy در حال تجاری سازی فناوری باتری یون روی است.

هر دو الکترولیت های آبی و غیر آبی به عنوان کاندید برای باتری روی یون مورد استفاده قرار می گیرند. نمک های روی با استفاده از TFSI یا آنیون های trifluoromethanesulfonate برای الکترولیت های آبی و غیر آبی استفاده شده اند. سولفات روی و الکترولیت های آبی مبتنی بر KOH قلیایی نیز استفاده شده اند. شکل 7 ساختار کلی باتری روی یون را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode: Zn → Zn²⁺ + 2e^–

Cathode: Insertion of Zn²⁺ into various materials such as manganese oxide or vanadium oxides.

ویژگی های باتری روی یون

• ایمنی
• عمر چرخه طولانی
• داشتن پتانسیل برای کاربردهای در مقیاس بزرگ

7- باتری روی-برم

باتری‌های Flow روی-برم نوعی باتری جریان ردوکس هستند که برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ ایده‌آل هستند. این باتری ها از محلول روی-برم استفاده می کنند که از طریق سیستم باتری جریان می یابد و مقیاس پذیری و عمر چرخه طولانی را ارائه می دهد.

باتری های روی-برم را می توان به دو گروه تقسیم کرد: باتری های Flow و باتری های non-flow.

شرکت های Redflow (استرالیا) و Primus Power (ایالات متحده) در تجاری سازی باتری های Flow فعال هستند، در حالی که شرکت های Gelion (استرالیا) و EOS Energy Enterprises (ایالات متحده) در حال توسعه و تجاری سازی سیستم های non-Flow هستند.

دو محفظه الکترود هر سلول معمولاً توسط یک غشاء تفکیک می شوند (معمولاً یک غشا نوع ریز متخلخل یا تبادل یونی). این به جلوگیری از رسیدن برم به الکترود منفی کمک می کند، جایی که با روی واکنش می دهد و باعث تخلیه خود به خودی می شود. برای کاهش بیشتر Self-discharge و کاهش فشار بخار برم، عوامل کمپلکس کننده به الکترولیت مثبت اضافه می شود. اینها به طور برگشت پذیر با برم واکنش می دهند و مایع قرمز روغنی تشکیل می دهند و غلظت Br در الکترولیت را کاهش می دهند. شکل 8 ساختار کلی باتری روی-برم را نشان می دهد.

واکنش های الکتروشیمیایی

Anode: Zn → Zn²⁺ + 2e^–

Cathode: Br₂ + 2e^– → 2Br^–

ویژگی های باتری روی-برم

• قابلیت تولید در مقیاس بزرگ
• عمر چرخه طولانی
• نسبتا ارزان قیمت