باتری آبی چیست؟

باتری آبی (aqueous battery) چیست و چه تفاوتی با لیتیوم یون غیرآبی دارد؟ در اینجا هر آنچه که باید در مورد این فناوری امیدوارکننده بدانید آورده شده است.باتری‌های لیتیوم یون امروزی چگالی انرژی، ولتاژ سلولی و طول عمر مطلوبی را ارائه می‌دهند. اما قیمت، در دسترس بودن مواد و خطر گرمایش بیش از حد باتری‌های لیتیوم یونی نکات منفی هستند که باعث تحقیقات برای یافتن جایگزین‌های بهتر شده‌اند.

همچنین بخوانید: بررسی شارژ باتری لیتیوم-یونی و نیز باتری آلومینوم یونی

باتری‌های آبی یکی از این گزینه‌ها هستند. این باتری‌ها ایمن، کم‌هزینه، دوستدار محیط زیست و دارای هدایت یونی بالایی هستند. با این حال، چگالی انرژی و ظرفیت خاص آن‌ها نسبتاً پایین است که استفاده عملی از آن‌ها را به ذخیره‌سازی انرژی ایستگاه‌های بزرگ محدود می‌کند، جایی که اندازه عامل مهمی نیست.

الکترولیت های آبی در مقابل غیر آبی

باتری های آبی از آب به عنوان حلال الکترولیت ها استفاده می کنند. در مقابل، باتری‌های لیتیوم یونی سنتی از کربنات غیرآبی و الکترولیت‌های حلال آلی بسیار قابل اشتعال استفاده می‌کنند. این الکترولیت ها با خطرات جدی بسیاری مانند آتش سوزی و انفجار همراه هستند.

جایگزینی این الکترولیت های آلی با یک الکترولیت آبی غیر فرار با مقاومت حرارتی بالا امن تر است. این همچنین هزینه باتری را کاهش می دهد، زیرا جداکننده ها و نمک های مورد استفاده برای الکترولیت های آبی ارزان تر از الکترولیت های غیر آبی هستند.

با این حال، این باتری ها به دلیل حلالیت محدود و ولتاژ سلولی کم، چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری های غیرآبی دارند. الکترولیت های آبی رسانایی یونی بالایی دارند، تقریباً 0.1 زیمنس بر سانتیمتر بالاتر از سایر انواع الکترولیت ها.

مزایای باتری های آبی	معایب باتری های آبی
هدایت یونی بالا	لایه SEI ناپایدار
مقاومت حرارتی	ESW باریک
هزینه کم	سیکل کوتاه

نحوه تجاری سازی

هنوز چالش‌هایی وجود دارد که مانع از تجاری‌سازی کامل باتری‌های آبی می‌شود. الکترولیت‌های آبی دارای یک پنجره پایداری الکتروشیمیایی باریک هستند که تنها ۱.۲۳ ولت است و این یکی از دلایل اصلی تجزیه مواد الکترود است. محققان به دنبال مواد الکترودی مناسبی هستند که بتوانند در این شرایط پایدار بمانند.

مسئله دیگری که باتری‌های آبی با آن مواجه هستند، نرخ بالای خود تخلیه (self-discharging) آن‌هاست، به طوری که باتری حتی در زمان عدم استفاده نیز شارژ خود را از دست می‌دهد. این خود تخلیه به دلیل نفوذ یون‌ها از طریق الکترولیت و واکنش مواد الکترود با آب رخ می‌دهد. با افزایش دما، این مشکل تشدید می‌شود و باعث خوردگی الکترودها و کاهش عملکرد و عمر باتری می‌شود.

برای اینکه باتری‌های آبی بتوانند در کاربردهای سخت مانند خودروهای برقی یا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری مورد استفاده قرار گیرند، سه پارامتر مهمی که باید بهبود یابند عبارتند از:

1. ولتاژ سلول بالاتر (که نیاز به بهبود کاتد دارد)
2. رابطه آند فلزی پایدارتر
3. پنجره الکتروشیمیایی بزرگتر برای الکترولیت

بهبود این عوامل می‌تواند به تجاری‌سازی موفق باتری‌های آبی کمک کند و آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای بازار انرژی و حمل و نقل تبدیل کند.

چالش‌ها و راه‌حل‌های بالقوه برای هر بخش ضروری از باتری‌های آبی: آند، جداکننده/الکترولیت و کاتد.

پنجره الکتروشیمیایی الکترولیت‌ها یک پارامتر مهم برای طراحی باتری‌هایی با ولتاژ سلول بالاتر است. در ولتاژهای بالاتر، الکترولیت‌ها تجزیه می‌شوند و با اکسیداسیون مواد کاتد/آند تداخل می‌کنند. پنجره الکتروشیمیایی (EW) نمایانگر دامنه پتانسیل الکتریکی الکترود است که در آن ماده نه اکسید می‌شود و نه کاهش می‌یابد.

الکترولیت‌ها باید دارای دامنه وسیع‌تری از پنجره‌های الکتروشیمیایی باشند که بزرگ‌تر از دامنه ولتاژ عملیاتی باتری باشد. الکترولیت‌هایی با پنجره‌های الکتروشیمیایی باریک به تجزیه غیرقابل برگشت مستعد هستند که این امر ظرفیت باتری را کاهش می‌دهد. این موضوع بر کارایی الکترودها تأثیر می‌گذارد، زیرا آن‌ها با الکترولیت واکنش نشان می‌دهند به جای این که واکنش الکتروشیمیایی را هدایت کنند.

بنابراین، برای بهبود عملکرد باتری‌های آبی و افزایش ولتاژ سلول، توسعه الکترولیت‌هایی با پنجره الکتروشیمیایی وسیع‌تر ضروری است تا از تجزیه و کاهش ظرفیت جلوگیری شود و در عوض، الکترودها بتوانند به طور مؤثر در فرآیندهای الکتروشیمیایی شرکت کنند.

بهبود الکترودها و الکترولیت

محققان در حال بررسی استراتژی‌هایی برای بهبود هر دو الکترود و الکترولیت هستند تا باتری‌های آبی بهتری توسعه دهند. برای این کار، آن‌ها باید ماده الکترودی مناسب را پیدا کرده و ساختار الکترود را برای تسریع در حمل و نقل یون‌ها تطبیق دهند، که این امر به بهبود پایداری سطحی و محدود کردن خوردگی جمع‌کننده‌های جریان کمک می‌کند.

امروزه انواع رایج باتری‌های لیتیوم-یونی شامل NMC (نیكل منگنز کبالت) و LFP (فسفات آهن لیتیوم) هستند. کاتد LFP به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها در باتری‌های الکترولیت آلی شناخته می‌شود. این به دلیل دسترسی گسترده به آهن و پایداری آنیون فسفات است که آن‌ها را برای چگالی انرژی بالا ایمن می‌کند و عملکرد خوبی برای باتری فراهم می‌آورد. متأسفانه، کاتدهای با عملکرد خوب که در الکترولیت‌های آلی اثبات شده‌اند، ممکن است در باتری‌های آبی عملکرد مشابهی نداشته باشند. کاتدهای LFP به دلیل ناپایداری سطحی خود نمی‌توانند در الکترولیت‌های آبی استفاده شوند، زیرا این ناپایداری آن‌ها را از نظر الکتروشیمیایی آسیب‌پذیر می‌کند.

در حال حاضر، کاتدهای رایج مورد استفاده در باتری‌های آبی دارای ساختار اسپینل (مانند LMO، اکسید منگنز لیتیوم) هستند. ولتاژ متوسط سلول اسپینل LMO حدود ۱.۰۴ ولت است که به طور قابل توجهی کمتر از ولتاژ سلول LFP به میزان ۳.۲ ولت است.

محققان در حال تلاش برای بهبود الکترولیت‌ها از طریق تنظیم ترکیب لایه واسط الکترولیت جامد (SEI) هستند، که شامل گسترش دامنه EW و محدود کردن واکنش‌های جانبی مبتنی بر آب می‌شود. SEI یک لایه پاسیو است که بر روی سطح آند به دلیل تجزیه الکترولیت تشکیل می‌شود. کیفیت SEI نقش حیاتی در چرخه‌پذیری طولانی‌مدت و ظرفیت باتری ایفا می‌کند.

آخرین تحقیقات

محققان مؤسسه شیمی فیزیک دالیان (DICP) آکادمی علوم چین اخیراً یک باتری آبی با چگالی انرژی به طور قابل توجهی بهبود یافته توسعه داده‌اند. این باتری از الکترولیت‌های هترو-هالوژن متمرکز استفاده می‌کند که شامل یون‌های یدید (I–) و برم (Br–) است که امکان انتقال چند الکترون را فراهم می‌کند. این باتری از یک آند فلزی کادمیوم استفاده می‌کند که چگالی انرژی بالای بیش از ۱۲۰۰ Wh/L و چگالی جریان بالای ۱۲۰ mA/cm² را ارائه می‌دهد.

محققان DICP با موفقیت یک باتری آبی ایمن و با چگالی انرژی بالا را نشان دادند که یک گام مهم به سوی استفاده از آن‌ها در کاربردهای سخت مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و احتمالاً حتی خودروهای برقی است.