مقدمه:
یکی از بحث‌های مهم و پر چالش در مبحث ادوات انرژی، ظرفیت و انرژی باتری‌هاست. دنیای امروز نیازمند باتری‌هایی قدرتمند است تا نیاز بشر به ذخیره‌ی انرژی را تامین کند. مدت زمان زیاد برای استفاده از ماشین‌های الکتریکی، یک چالش بزرگ و جذاب است که باتری‌های لیتیوم هوا می‌تواند گام بسیار مهمی را در این جهت بر دارد چرا که این باتری‌ها به دلیل داشتن چگالی انرژی بسیار بالا، به عنوان نسل بعدی باتری‌ها شناخته می‌شوند.
معرفی باتری لیتیوم هوا:
باتری نسل آینده، بنا بر نظر خیلی از محققان، باتری لیتیوم-هواست؛ چرا که این باتری دارای چگالی انرژی بسیار بالایی در مقایسه با باتری لیتیوم یون است. این ویژگی، بسیاری از صنایع از جمله صنعت خودروهای الکتریکی را دگرگون خواهد کرد، چون دانسیته انرژی بالا، اتومبیل‌های الکتریکی را قادر خواهد ساخت که مسافت بسیار بیشتری را با هر بار شارژ طی کنند. شکل زیر به خوبی جایگاه باتری لیتیوم-هوا را در مقایسه با دیگر باتری‌ها نشان می‌دهد.
آن چه محدودکننده انرژی (و ظرفیت) باتری است، کاتد است که ظرفیتی کمتر از 300mAh/g دارد. در حالی که آندهایی با ظرفیت‌های بالا همانند سیلیکون (با ظرفیت 4000mAh/g) وجود دارند. برای حل این مشکل باید به دنبال کاتدهای دیگری غیر از کاتدهای درجی (Intercalation) گشت. دو کاتد مهم، که به عنوان جایگزین کاتدهای درجی مطرح شده است، کاتد سولفور و کاتد اکسیژن است.
آن چه محدودکننده انرژی (و ظرفیت) باتری است، کاتد است که ظرفیتی کمتر از 300mAh/g دارد. در حالی که آندهایی با ظرفیت‌های بالا همانند سیلیکون (با ظرفیت 4000mAh/g) وجود دارند. برای حل این مشکل باید به دنبال کاتدهای دیگری غیر از کاتدهای درجی (Intercalation) گشت. دو کاتد مهم، که به عنوان جایگزین کاتدهای درجی مطرح شده است، کاتد سولفور و کاتد اکسیژن است.
غیر از مزیت ظرفیت، گوگرد و اکسیژن در مقایسه با عناصر کبالت و منگنز موجود در کاتدهای سنتی، قیمت کمتری دارند. این نوع باتری‌ها، از جهات زیادی با باتری‌های یون لیتیومی از جمله مکانیزم عملکرد درونی و محدودیت‌ها متفاوت هستند و از این‌رو با نام دیگری شناخته می‌شوند. برای مثال، در این نوع باتری کاتد یک ساختار متخلخل است که اکسیژن از طریق آن منتقل شده و واکنش‌های تولید انرژی توسط آن انجام می‌شود و بر خلاف باتری یون لیتیومی در آن یون لیتیوم ذخیره نمی‌شود.
انرژی این باتری‌ها، ناشی از اکسایش لیتیوم و احیای اکسیژن است و بسته به نوع الکترولیت آبی یا آلی، نوع واکنش‌ها و سازوکار عملکرد، متفاوت است. شکل زیر انواع واکنش‌های کاتد را به ترتیب از چپ به راست برای باتری یون لیتیومی، لیتیوم-هوا با الکترولیت آلی و لیتیوم-هوا با الکترولیت آبی نشان می‌دهد. در تمامی این سه نوع باتری، واکنش آند یکسان است.
مکانیزم عملکرد:
مکانیزم عملکرد باتری لیتیوم-هوا در شکل زیر نشان داده شده است. کاتد یک ساختار متخلخل داشته و غالباً از جنس کربن است، که اکسیژن از طریق منافذ آن به محل واکنش می‌رسد. یون لیتیوم از طریق الکترولیت و الکترون هم از طریق کاتد انتقال می‌یابد و سپس واکنش احیای اکسیژن صورت می‌گیرد.
در این نوع باتری، لازم است که الکترود کاتد متخلخل باشد تا نفوذ اکسیژن را فراهم کند. همچنین الکترود کاتد باید رسانا باشد تا انتقال الکترونی را فراهم کند و خودش در واکنش شرکت نکند، بلکه فقط نقش انتقال‌دهنده اکسیژن و الکترون را داشته باشد. با توجه به این فاکتورها، کربن متخلخل یکی از گزینه‌های مورد استفاده است که قیمت پایینی هم دارد. امروزه به دلیل مشکلات کاتدهای کربنی، در مقالات پژوهشی جدید با استفاده از نانوفناوری، کاتدهای غیرکربنی مطرح شده‌اند که عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند.
این نوع باتری‌ها برای تجاری شدن باید بر خیلی از مشکلات غلبه کنند. به طور مثال، ظرفیت این باتری‌ها خیلی پایین‌تر از ظرفیت تئوری است. همچنین طول عمر سیکلی کمتر از 30 سیکل را نشان می‌دهند، از این‌رو دانشمندان پیوسته در تلاش‌اند تا این نوع از باتری‌ها را تجاری کنند.
منبع: edu.nano.ir
