شیمی جدید باتری منجر به اولین باتری هوای روی می شود


تصویر سه قطعه فلز روی.

بیشتر باتری های یکبار مصرفی که با آنها روبرو خواهید شد از نظر فنی باتری های قلیایی نامیده می شوند. آنها با pH بالا کار می کنند و معمولاً از روی به عنوان حامل بار استفاده می کنند. روی بسیار عالی است زیرا بسیار ارزان است ، می توان از آن برای ساختن یکی از دو الکترود استفاده کرد و در شرایط مناسب امکان استفاده از هوا را روی الکترود دیگر فراهم می کند. دو عنصر آخر باتری را ساده تر کرده و به آن فشرده و سبک تر می شود – تاکنون تلاش برای انجام کارهای مشابه با باتری های لیتیوم کوتاه است.

مشکل همه اینها این است که باتری ها به یک دلیل قابل استفاده هستند: شیمی تخلیه در واقع اجازه نمی دهد همه چیز به عقب کار کنند. دی اکسید کربن از هوا با الکترولیت واکنش داده و کربناتهایی ایجاد می کند که یک الکترود را مسدود می کند. و روی دقیقاً بر روی الکترود حاصل از آن رسوب نمی کند ، در عوض ساختارهای تیز به نام دندریت ایجاد می کند که می تواند باتری را کوتاه کند.

اکنون یک تیم بین المللی نحوه ساخت شارژ باتری های روی را کشف کرده اند. به نظر می رسد پاسخ شامل حذف الکترولیت قلیایی است که نام باتری ها را داده است.

خیابان یک طرفه شیمیایی

شیمی باتری قلیایی روی سطح کاملاً ساده است. فویل فلز روی به عنوان یک الکترود عمل می کند و هر یون روی دو الکترون آزاد می کند. در الکترود دیگر ، مولکول های اکسیژن موجود در هوا چهار الکترون از این نوع را می گیرند و مولکول را شکسته و باعث تشکیل اکسید روی می شوند. اما شیطان در جزئیات یا به عبارت دقیق تر ، واکنشهای میانی است. در این حالت ، یک واسطه کلیدی یون هیدروکسید است که به طور طبیعی در pH قلیایی الکترولیت پایه آب تشکیل می شود (در واقع تا حد زیادی تعیین کننده این محیط است). این ماده در برخی از واکنشها با روی نقش دارد که واکنش مستقیمی با اکسیژن هوا ندارد.

این یون های هیدروکسید همچنین منبع یکی از مشکلات باتری های روی و هوا هستند ، زیرا همچنین در واکنش هایی که دی اکسید کربن را به کربنات تبدیل می کنند واسطه ای هستند. این کربنات ها الکترود محل واکنش اکسیژن را می پوشانند و در نهایت آن را مسدود می کنند. با جایگزینی هوا با اکسیژن خالص می توان تا حدی از این امر جلوگیری کرد ، اما این فقط عمر را به حدود دوازده سیکل طولانی می کند.

برخورد با یون های هیدروکسید لزوماً تشکیل دندریت های موجود در ورق فلز روی را حل نمی کند ، بلکه می تواند با مشکلات موجود در الکترود هوا مقابله کند. بنابراین ، محققان روی آن تمرکز کردند.

این فقط مسئله تغییر PH محلول الکترولیت نبود ، زیرا یون های هیدروکسید در آب با pH خنثی و حتی اسیدی تشکیل می شوند. حتی در شرایط عادی ، تجزیه اکسیژن در الکترود هوا از طریق واسطه ها با هیدروکسید صورت می گیرد. بنابراین محققان شرایط قلیایی را با یک الکترولیت جایگزین کردند که تا حدی آبگریز یا ضد آب است. ماده شیمیایی که آنها استفاده می کنند ، تری فلوئورومتان سولفونات ، اساساً یک یون سولفات است که با سه فلوراید متصل به کربن متصل می شود. قسمت کربن-فلوئور این مولکول آب را دفع می کند ، در حالی که قسمت سولفات قادر به تعامل با یون روی است.

این همه چیز را تغییر می دهد

تغییر به این الکترولیت جدید می تواند تا حدی از روی محافظت کند. اما تأثیر بیشتری در واکنش الکترود هوا دارد. در اینجا ، واکنش طبیعی شامل انتقال چهار الکترون برای تخریب O است2 مولکول از طریق واسطه های هیدروکسید. با رد و بدل شدن الکترولیت جدید ، واسطه های هیدروکسید از شکل گیری متوقف می شوند. در نتیجه ، فقط دو الکترون به مولکول اکسیژن منتقل می شوند و پراکسید ایجاد می کنند. نتیجه ZnO است2 هنگامی که باتری به جای اکسید روی (ZnO) تخلیه می شود ، تشکیل می شود.

محققان تشکیل الیاف پراکسید روی را در هنگام رقت یافتند و تأیید کردند که آنها در هنگام شارژ مجدد از بین می روند. آنها همچنین می توانند تغییرات فشار مربوط به اکسیژن داخل باتری را هنگام تخلیه و هنگام شارژ باتری آزاد کنند ، تشخیص دهند. هنگامی که از فویل روی به عنوان الکترود استفاده می شود ، در نهایت بیش از 80 درصد روی برای رقت استفاده می شود. جایگزینی این مورد با پودر روی ، میزان روی را تا 94٪ افزایش داد.

نتایج کاملاً متفاوت بود. محققان به جای مرگ پس از چند چرخه توانستند باتری را برای 1600 ساعت کار کنند. تشکیل دندریت ها بیشتر اوقات مشکلی ایجاد نمی کند و ظرفیت وزن در جایی نزدیک به دو برابر برخی از باتری های لیتیوم است.

بنابراین ، آیا مشکلات باتری حل شده است؟ نه دقیقا. از آنجا که شیمی باتری به هوا متکی است ، آب موجود در الکترولیت آبی به مرور تبخیر می شود. دندریت ها تشکیل می شوند که در نهایت آند فلز روی را غیر قابل استفاده می کند. اما بزرگترین مشکل احتمالاً سرعت بارگیری است – به خاطر داشته باشید که چرخه شارژ / تخلیه طول کشید 20 ساعت

چگالی جریان را با ضریب 10 افزایش دهید و باتری فقط 160 ساعت کار می کند. چگالی شارژ را حتی بیشتر کنید و به جای کار با باتری ، شروع به تجزیه آب کنید.

تیم تحقیق نشان می دهد که کاتالیزوری که باعث تشکیل پراکسید می شود به طور بالقوه می تواند میزان شارژ / تخلیه را افزایش دهد ، اما واضح است که این لزوما رقیب بسیاری از برنامه های باتری لیتیوم نیست.

اما این ممکن است مشکلی ایجاد نکند. ذخیره سازی شبکه لزوماً به سرعت دشارژ از باتری های جداگانه نیاز ندارد ، به شرطی که باتری کافی برای تأمین نیاز ظرفیت وجود داشته باشد. در اینجا نیز روی می تواند یک امتیاز باشد – هزینه آن کمتر از یک چهارم کربنات لیتیوم است و این برای روی خالص است. علاوه بر این ، وجود روی برای تأمین سایر نیازها لیتیوم را برای استفاده در جایی که عملکرد آن واقعاً مهم است ، آزاد می کند – چیزی که اگر بخواهیم شبکه را هنگام برق رسانی تجدید پذیر کنیم ، ممکن است به آن نیاز داشته باشیم.

سرانجام ، محققان متذکر می شوند که همان نوع شیمی می تواند با سایر فلزات از جمله منیزیم و آلومینیوم که نسبتاً ارزان نیز هستند کار کند. این احتمال وجود دارد که این گزینه ها تعادل متفاوتی بین مزایا و معایب داشته باشند و مطمئناً برای تأمین لیتیوم رقابت نمی کنند.

علوم پایه، 2020. DOI: 10.1126 / science.abb9554 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*