در سال های اخیر باتری های لیتیوم هوایی که وعده بهبود تراکم قدرت به ازای هر پوند را نسبت به باتری های لیتویم-یونی داده اند، موضوع تحقیقات بسیاری در تلاش برای بخشیدن محدوده وسیع تر به وسایل نقلیه الکتریکی قرار گرفته اند.

با بهره گیری از کمک یک ویروس اصلاح شده ژنتیکی، محققان موسسه MIT شیوه ای را برای بهبود عملکرد و دوام باتری های لیتیوم-هوا یافته اند که می توان بدین شیوه، دو یا سه برابر تراکم انرژی باتری های لیتیوم-یون فعلی را ارائه داد.

عملکرد باتری لیتیم هوا

دلیل اصلی انرژی تولید شده بالاتر توسط باتری های لیتیوم-هوا نسبت به باتری های لیتویم-یون این است که به جای ترکیبات سنگین مرسوم مورد استفاده در باتری های لیتیوم-یون آن ها از اکسیژن هوا جهت واکنش با آند لیتیوم از طریق کاتد هوای مبتنی بر کربن استفاده می کنند. نانوسیم های بکار برده شده به عنوان یکی از الکترودهای این باتری معمولا از طریق یک فرآیند شیمیایی با انرژی بالا ایجاد می شوند که منجر به تولید الکترودهایی با سطح صاف خواهد شد.

با استفاده از یک نسخه اصلاح شده ژنتیکی از ویروس M13، محققان MIT قادر به افزایش سطح مجموعه نانوسیم ها شدند که حدود ۸۰ نانومتر می باشد.

این ویروس ها سیم هایی را از اکسید منیزیم می سازند، موادی که اغلب برای کاتد باتری های لیتیوم-هوا استفاده می شده است و دارای سطح محکم و سوزنی می باشد. داشتن سطح سوزنی به جای سطحی صاف منجر به ایجاد سطوح بیشتر برای واکنش های شیمیایی می شود. این فرایند همچنین موجب ایجاد ساختار سه بعدی می شود که الکترودهای باثبات تری در نتیجه آن به وجود می آیند. از دیگر مزایای این است که فرایند ویروسی همچنین بر اساس آب بوده و در دمای اتاق انجام می گیرد.

شیمی در ابتدا با استفاده از روش های بیولوژیکی توسعه یافت اما سپس به راحتی جایگزینی برای تولید مقیاس پذیر صنعتی در تولید واقعی شد.

 
محققان تنها کاتدی را با استفاده از فرایند ویروسی تولید کردند و مواد تولید شده از طریق ۵۰ چرخه شارژ و دشارژ تست شد که در برابر هزاران چرخه تست باتری های وسایل نقلیه الکتریکی چیزی به حساب نمی آید.

اساس کار باتری لیتیوم هوا، مشابه هر باتری فلز هوای دیگر، عبارت است از اکسید شدن لیتیم با اکسیژن دریافتی از هوا در مسیر دشارژ یا تخلیه و نیز فرایند احیا و آزاد شدن لیتیوم خالص و باز گرداندن اکسیژن به هوا، با دریافت انرژی از منبع خارجی در مسیر شارژ یا بارگیری. این موضوع به وضوح در شکل زیر نمایش داده شده و معادلات کلی شیمیایی نگارش شده است.

البته این معادلات شیمیایی، نتیجه ی کلی است و زیر معادلات یونی، بار الکتریکی و شیمیایی وجود دارد. ماحصل آن، عملکرد این سلول شیمیایی و تحویل یا دریافت انرژی در دشارژ و شارژ است. الکترولیت همواره مملوّ از یون های لیتیوم مثبت است با این تفاوت که تراکم آنها در مجاورت آند و کاتد در  شرایط شارژ و دشارژ متفاوت است. رابطه ی معنا داری بین جهت دریافت و تحویل اکسیژن، با جهت حرکت الکترون ها (جریان الکتریکی) وجود دارد.
هر چند در برخی شماتیک ها نظیر شکل زیر، جهت حرکت یون های لیتیوم مثبت در الکترولیت، در فرایند شارژ و دشارژ معکوس رسم شده است. اما مملوّ بودن الکترولیت از یون مثبت و صرفاً تراکم آندی یا کاتدی، معقول تر به نظر می رسد. ثابت بودن اکسید لیتیوم در سمت کاتد، بیان کننده ی پوشش و پوسته ی متخلخل هماهنگ با الکترولیت است و هوا، مطلقا تنها کاتد این باتری است.

مروری بر انواع الکترولیت ها باتری لیتیوم هوا

در ادامه ی بحث، موضوع بسیار مهم تنوع الکترولیت در باتری لیتیم هوا Lithium air battery، مطرح می گردد. چهار نوع الکترولیت برای این باتری فلز هوای مبتنی بر لیتیوم مفروض است که به ترتیب، غیر آبی، آبی، هیبریدی و جامد می باشند. وجود هوا به عنوان تامین کننده اکسیژن، فلز آندی لیتیوم، کاتالیست از مشترکات هر چهار رویکرد می باشد و تفاوت در نحوه ی پیاده سازی الکترولیت می باشد.

در الکترولیت غیر آبی، یک سیال آلی جای خود را به الکترولیت آبی می دهد. کربن متخلخل، معبر ورود هوا به کاتد را عهده می گیرد. در الکترولیت آبی، مواد آلی به سمت پوشش باتری در قسمت معبر ورود هوا می روند. همچنین یک لایه، بین آب و فلز لیتیوم حائل می شود تا مانع از واکنش شدید شود.

در رویکرد هیبریدی، کمی الکترولیت آلی در مجاورت فلز لیتیوم قرار می گیرد. سپس یک لایه حائل و بعد از آن الکترولیت آبی برای تبادل اکسیژن با هوای بیرون تعبیه می شود. در چهارمین رویکرد، اثری از سیال آلی یا آبی نیست. الکترولیت به صورت جامد پیاده سازی می شود. در شکل زیر این چهار رویکرد در پیاده سازی الکترولیت نمایش داده شده است.

چالش های باتری لیتیم هوا

چالش های اصلی حل نشده یا به بلوغ فناوری نرسیده در حوزه ی باتری لیتیوم هوا، مسدود شدن آند و کاتد با ذرات و رسوبات دندریت مانند اکسید فلزات است. موضوع پلاریزاسیون و اور – پتانسیل سبب می شود سیکل شارژ و دشارژ، متقارن نبوده و نوعی از back Lash وجود داشته باشد و تعداد سیکل های موفق را کاهش دهد. در شکل زیر یک سیکل به همراه پیک های اور- پتانسیل نمایش داده شده است.

طبق شکل بالا مسیر شارژ از ولتاژی در حدود ۱.۸ ولت آغاز شده و خیلی زود به ۴.۲ ولت می رسد. به مجرد آغاز فرایند دشارژ، این ولتاژ به ۳.۳ ولت افت می کند.

پس از افت شدید دوم، به ۲.۷ ولت می رسد و تا اتمام دشارژ تقریبا ثابت می ماند اما این ولتاز تقریبا ثابت را نمی توان به عنوان ولتاژ تعادلی یاد کرد؛ عملا ولتاژ تعادلی، طبق شکل بالا، حدود ۳ ولت در نظر گرفته می شود.

جمع بندی

به هر حال باتری لیتیم هوا، با توجه به ظرفیت ویژه ی انرژی خود اینقدر خوب است که محققین در فازهای  آزمایشگاهی و نیمه صنعتی، در پی رفع چالش ها و موانع تولید این باتری با سیکل های متعدد و تقریبا نامحدود شارژ و دشارژ هستند. مشکل زمان شارژ طولانی باید حل شود و بهترین و ارزان ترین الکترولیت ها و کاتد ها، پیاده سازی شوند.

خوشبختانه نگرانی در خصوص محیط زیست نیست و باتری لیتیوم هوا دوستدار محیط زیست است. با اجتناب از الکترولیت آبی، تا حد زیادی مخاطرات استفاده از این نوع باتری ناشی از واکنش احتمالی شدید بین فلز و آب رفع شده و با تامین شدن ایمنی یا Safety، عملا باتری لیتیوم هوا یک محصول منطبق بر HSE(Health – Safety – Environment) خواهد بود.

این ارزش در کنار ظرفیت ویژه انرژی معادل ۵ برابر باتری یون لیتیومی، ولتاژ ۲.۹۱ نامی رگولار ایده آل خواهد بود. هرگاه در خصوص ارزش باتری فلز هوای مبتنی بر لیتیوم نیاز به یادآوری داشتید، کافی است بدانید ظرفیت انرژی بنزین به عنوان یک سوخت همه گیر از مرتبه ی ۴۹.۸ ژول بر کیلوگرم است. این در حالی است که لیتیوم در باتری فلز هوا ظرفیتی معادل ۴۰.۱ را تامین می کند.

بنزین ۱۳ کیلووات ساعت بر کیلوگرم تامین توان الکتریکی معادل می کند. این در حالی است که باتری فلز هوای لیتیومی، ۱۲ واحد را تامین خواهد نمود. بی جهت نیست که باتری فلز هوای مبتنی بر لیتیوم را یک پیل سوختی تنفس کننده با هوا می نامند ! که البته این گزاره در مورد انواع باتری های فلز هوا صادق می باشد.