معرفی باتری‌های روی یونی

مقدمه

دانشمندان برای جایگزینی انرژی خورشیدی و باد در حال بررسی انواع مختلفی از انرژی برای ذخیره  سازی انرژی تجدیدپذیر هستند. برای دستیابی به این هدف به سراغ مواد و روش‌های متفاوتی می‌روند و آن‌ها را مورد بررسی و آزمایش قرار می‌دهند. یکی از این روش‌ها باتری‌هایی است که بتوانند برای ذخیره سازی انرژی شبکه‌ای مورد استفاده قرار بگیرند.

 باتری‌های لیتیوم یونی ممکن است برای وسایل الکترونیکی و وسایل نقلیه الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند، اما واکنش‌پذیری و خطرات زیست‌ محیطی آن‌ها دانشمندان را بر آن داشته است تا جایگزین‌های دیگری را بررسی کنند. یکی از نامزدهای این نوع باتری‌ها باتری روی یون (ZIB) است که به عنوان یک فناوری امیدوارکننده برای ذخیره سازی انرژی شناخته شده است. همچنین این باتری‌ها می‌توانند برای به حداکثر رساندن مزایای منابع انرژی تجدیدپذیر کمک کننده باشند. اساس مقرون به صرفه بودن و ایمنی ZIBها بر استفاده از روی به عنوان ماده آند در سلول باتری است که نتایج امیدوارکننده‌ای را در الکتروشیمی نشان داده است.

باتری‌های روی یون (ZIBs) دارای ویژگی‌های منحصر به فردی مانند قابلیت شارژ-دشارژ سریع، چگالی توان و چگالی انرژی بالا، ایمنی خوب و سازگاری با محیط زیست هستند. پتانسیل کاهش روی 2.20- ولت نسبت به SHE است. با توجه به فراوانی طبیعی فلز روی، ZIBs توجه فزاینده‌ای را برای کاربردهای بالقوه به خود جلب کرده‌اند. در مقایسه با لیتیوم موجود در باتری‌های لیتیوم یون تجاری، روی سازگاری بالایی با آب دارد، بنابراین امکان استفاده مستقیم از الکترولیت‌های مقرون‌به‌صرفه، غیرقابل اشتعال و مبتنی بر آب را فراهم می‌کند.

آیا باتری‌های مبتنی بر روی جایگزین بهتری برای باتری‌های لیتیوم یون هستند؟

روی یک عنصر فلزی متعلق به گروه فلزات واسطه ستون 12 جدول است. روی با عدد اتمی 30، شعاع اتمی  pm 135 و وزن اتمی amu 65.39، دارای چگالی 7.14 گرم بر سانتی متر مکعب است.

روی در شکل خالص خود خاکستری نقره‌ای به نظر می‌رسد، اما پس از قرار گرفتن در معرض هوا، تحت اکسیداسیون قرار می‌گیرد و رنگ خاکستری مات به خود می‌گیرد. روی بیست و چهارمین عنصر فراوان در زمین است و به طور گسترده در گالوانیزه استفاده می‌شود که شامل پوشش سطوح آهن و فولاد برای جلوگیری از خوردگی است. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که روی احتمالا توانایی بالقوه‌ای به عنوان یک جزء کلیدی در باتری‌های مبتنی بر روی دارد.

در باتری‌های روی یون، روی به عنوان یک آند استفاده می‌شود، در حالی که ترکیبات روی به عنوان کاتد استفاده می‌شود. همچنین محلول الکترولیت محیطی است که حاوی روی است. این باتری‌ها به شیوه‌ای بسیار شبیه به باتری‌های لیتیوم یون عمل می‌کنند. در این باتری‌ها، یون‌های روی از طریق یک الکترولیت مایع از آند به کاتد می‌روند. در این نوع از باتری‌ها یون روی هم در آند باتری و هم در کاتد آن تحت واکنش‌های شیمیایی قرار می‌گیرد.

 مانند باتری لیتیوم یون، باتری روی یون با استفاده از جادهی عمل می‌کند، به این معنی که در طول یک چرخه دشارژ، فلز روی از آند به عنوان یون روی در الکترولیت حل می‌شود و این یون‌های روی از الکترولیت به کاتد جذب می‌شوند. در طول یک چرخه شارژ، فرآیند برعکس اتفاق می‌افتد.

در واقع، باتری‌های روی یون می‌توانند فرآیند تولید مناسب‌تری نسبت به باتری لیتیوم یون داشته باشند. واکنش سریع لیتیوم با آب مستلزم انجام بسیاری از مراحل تولید این نوع باتری در یک جو بسیار کنترل شده است که این فرآیند را پرهزینه‌تر و پیچیده‌تر می‌کند. به عنوان یک باتری مبتنی بر آب، روی این محدودیت را ندارد.

تفاوت بین باتری‌های لیتیوم یون و روی

در ادامه تفاوت‌های کلیدی بین باتری‌های لیتیومی و باتری‌های مبتنی بر روی آورده شده است.

علم شیمی

باتری‌های مبتنی بر لیتیوم، از جمله باتری‌های لیتیوم یون و باتری‌های پلیمری، از ترکیبات لیتیوم به عنوان ماده فعال در آند و کاتد استفاده می‌کنند. در این باتری‌ها به طور معمول، آند از گرافیت پوشیده شده با یک ترکیب حاوی لیتیوم ساخته شده است، در حالی که کاتد معمولا از یک اکسید فلزی مانند لیتیوم کبالت، لیتیوم آهن فسفات یا لیتیوم منگنز تشکیل شده است. ولی در باتری‌های مبتنی بر روی، مانند روی کربن و روی قلیایی، از روی به عنوان آند و از دی اکسید منگنز به عنوان کاتد استفاده می‌کنند. همچنین یک محلول قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم را می‌توان به عنوان الکترولیت جایگزین کرد. .

تراکم انرژی

باتری‌های لیتیومی معمولا چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های مبتنی بر روی دارند و به آن‌ها این امکان را می‌دهد که انرژی بیشتری را ذخیره کنند. علت این پدیده استفاده از مواد سبک وزن و بسیار واکنش پذیر در باتری‌های لیتیومی است که می‌توانند مقدار قابل توجهی انرژی را در یک فضای کوچک ذخیره کند. از سوی دیگر، باتری‌های مبتنی بر روی چگالی انرژی کمتری دارند زیرا روی ماده‌ای سنگین‌تر و واکنش‌پذیرتر از لیتیوم است که مقدار انرژی قابل ذخیره‌سازی را محدود می‌کند. با این حال، چگالی انرژی باتری تنها عاملی نیست که عملکرد آن را تعیین می‌کند. ظرفیت، ولتاژ و مقاومت داخلی باتری نیز نقش مهمی در تعیین میزان انرژی و سرعت انتقال آن دارد.

طول عمر باتری

طول عمر باتری‌های مبتنی بر لیتیوم به دلیل توانایی آن‌ها در تحمل چرخه‌های شارژ و دشارژ بیشتر معمولا طولانی‌تر از باتری های مبتنی بر روی است. به این دلیل که ماهیت مواد به کار رفته در آند و کاتد باتری لیتیوم مقاوم‌تر و انعطاف پذیرتر هستند، در چرخه‌های شارژ و دشارژ بیشتر کمتر تحت خراب شدن قرار می‌گیرند. از سوی دیگر، باتری‌های مبتنی بر روی، زمانی که در معرض شرایط پر استرس مانند دشارژ عمیق یا شارژ بیش از حد قرار می‌گیرند، بیشتر مستعد خراب شدن هستند.

توان خروجی

باتری‌های مبتنی بر روی دارای توان خروجی کمتری نسبت به باتری‌های مبتنی بر لیتیوم هستند، و این باعث می‌شود که برای کاربردهای کم مصرف مانند کنترل از راه دور یا چراغ قوه مناسب‌تر باشند. توان خروجی که بر حسب وات یا میلی‌وات اندازه‌گیری می‌شود، نرخی است که باتری می‌تواند انرژی تحویل دهد. چگالی انرژی بیشتر و مقاومت داخلی کمتر باتری‌های لیتیومی، آن‌ها را قادر می‌سازد تا انرژی را سریع‌تر و کارآمدتر تامین کنند و در نتیجه توان خروجی بالاتری داشته باشند.

هزینه مواد باتری

باتری‌های مبتنی بر روی معمولا ارزان‌تر از باتری‌های مبتنی بر لیتیوم هستند، زیرا عنصر روی نسبت به  لیتیوم فراوان‌تر و ارزان‌تر است. با این حال، توجه به این نکته مهم است که هزینه تولید باتری به عوامل مختلفی فراتر از مواد اولیه بستگی دارد. هزینه ساخت، پیچیدگی طراحی باتری و صرفه جویی در مقیاس تولید انبوه نیز بر قیمت باتری تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، پیشرفت در فرآیندهای تولید و افزایش حجم تولید، هزینه باتری‌های مبتنی بر لیتیوم را در سال‌های اخیر به میزان قابل توجهی کاهش داده است، که در نتیجه شکاف هزینه‌ای بین باتری‌های مبتنی بر لیتیوم و روی کاهش پیدا کرده است.

ایمنی باتری

باتری‌های مبتنی بر لیتیوم به دلیل ماهیت واکنش‌پذیر مواد مورد استفاده در ساختار باتری، هنگامی که در معرض شرایط خاصی مانند شارژ بیش از حد یا دمای بالا قرار می‌گیرند، بیشتر گرما تولید می‌کنند و بیشتر مستعد گرم شدن بیش از حد و آتش گرفتن هستند.

اثرات زیست محیطی

بازیافت باتری‌های مبتنی بر روی نسبتا ساده و مقرون به صرفه است، زیرا روی در صنایع گوناگون به طور گسترده استفاده می‌شود و به راحتی قابل بازیافت است و اثرات زیست محیطی کمتری نسبت به لیتیوم دارد. با این حال، باتری‌های لیتیومی به دلیل شیمی پیچیده و فرآیندهای بازیافت تخصصی، چالش‌های مهم‌تری را ایجاد می‌کنند که بازیافت آن‌ها را دشوارتر می‌کنند. استخراج و تولید لیتیوم می‌تواند اثرات نامطلوب زیست محیطی مانند کاهش آب و تخریب خاک داشته باشد. با این وجود، تلاش‌های مداومی برای توسعه روش‌های تولید و بازیافت پایدار و کارآمد برای باتری‌های مبتنی بر لیتیوم وجود دارد.

پیشرفت در باتری‌های مبتنی بر روی

باتری‌های مبتنی بر روی در سال‌های اخیر به دلیل پتانسیل آن‌ها برای ارائه جایگزین مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر برای باتری‌های لیتیوم یون، مورد توجه  تحقیقات زیادی بوده‌اند. از جمله پیشرفت‌هایی که تا کنون در باتری‌های مبتنی بر روی محقق شده است می‌توان به باتری‌های روی یون، باتری‌های روی هوا، باتری‌های روی منگنز و باتری‌های روی کربن اشاره کرد.

به طور کلی، پیشرفت‌های فعلی در باتری‌های مبتنی بر روی بر بهبود چگالی انرژی، عمر چرخه و ایمنی آن‌ها متمرکز شده است. محققان همچنین در حال بررسی مواد و طرح‌های جدید برای افزایش عملکرد و کاهش هزینه‌ها هستند.

نگاهی به چالش‌های باتری‌های روی یون

در یک مطالعه جدید از محققان دانشگاه واترلو، دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که ادعاهای متعددی درباره باتری‌های روی یون وجود دارد و این باتری‌ها هنوز با چالش‌های زیادی روبرو هستند.

پروفسور لیندا نزار گفت: «آند روی ایمنی بالا و هزینه کم را برای باتری‌های روی یون آبی به ارمغان می‌آورد، زیرا با اکثر الکترولیت‌های مبتنی بر آب پایدار است.” با این حال، در طول چرخه شارژ-دشارژ، روی به عنوان کریستال‌های تصادفی و سیخ دار – به نام دندریت – بر روی آند رشد می‌کند که به راحتی می‌تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه در هنگام شارژ باتری‌ها شود. اگرچه استراتژی‌های زیادی برای حل مسئله دندریت روی گزارش شده است، اما تنها تعداد کمی از آن‌ها می‌توانند نیازهای کاربردهای عملی را برطرف کند.

همچنین چالش‌هایی نیز در مورد کاتد نیز وجود دارد. به گفته نزار، مولکول‌های آب در الکترولیت مبتنی بر آب می‌توانند به طور خود به خود به یون های هیدروکسید و پروتون تجزیه شوند. در حالی که پروتون‌ها در فرآیند رفت و برگشت به مواد کاتدی باتری با یون‌های روی رقابت می‌کنند، فرآیندی که به عنوان جادهی (intercalation) شناخته می‌شود. یون‌های هیدروکسید باقی مانده نیز می‌توانند با روی ترکیب شوند، این واکنش منجر به تشکیل ترکیباتی به نام هیدروکسیدهای دوگانه روی لایه‌ای می‌شود که به گفته نزار روی سطح کاتد رسوب می‌کنند و روی را از مسیر واکنشی خود خارج می‌کنند. همچنین سطح را از طریق یک واکنش جانبی بسیار مضر عایق می‌کند.

سوال اصلی پیش روی باتری‌های روی از نظر نزار این است که چگونه می‌توان فعالیت آب را مهار کرد. او گفت که پاسخ این سوال می‌تواند در یک الکترولیت هیبریدی غیرآبی/آبی باشد که می‌تواند به جداسازی آب و جلوگیری از تجزیه آن کمک کند. او گفت: “این الکترولیت‌ها نشان داده‌اند که استفاده از این روش برای رسیدن به اینکه جادهی یون روی بر شیمی فرآیند تسلط داشته باشد، کاملا مؤثر هستند.

توسعه مواد کاتدی در باتری‌های روی یون

همانطور که قبلا اشاره شد، فلز روی معمولا به عنوان قسمت آند ZIB‌ها استفاده می‌شود. با این حال، مواد کاتدی مناسب که امکان جادادن برگشت پذیر یون Zn دو ظرفیتی را در الکترولیت‌های آبی فراهم کند، تا کنون بسیار محدود بوده است، که تا حد زیادی مانع توسعه ZIBهای آبی می‌شود. بنابراین، تلاش زیادی برای طراحی مواد کاتدی جدید انجام شده است.

باتری Zn/MnO₂ شدیدترین سیستم ZIB است که انرژی را از طریق واکنش‌های تبدیلی، که به وجود انواع حالت‌های اکسیداسیون MnO₂ نسبت داده می‌شود، ذخیره می‌کند. در دهه 1860، ابتدا یک باتری Zn/α-MnO₂ با الکترولیت قلیایی KOH ساخته شد و راه را برای ZIBهای ثانویه هموار کرد. در سال‌های بعدی، چندین سیستم باتری Zn/MnO₂ با انواع مختلف MnO₂ آماده شد. اگرچه باتری‌های Zn/MnO₂ به طور گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل استفاده شده‌اند، ولی کاهش سریع ظرفیت و راندمان کولمبی پایین ناشی از هدایت الکتریکی ضعیف MnO₂ به طور جدی بر عملکرد آن‌ها تأثیر می‌گذارد. نانولوله های کربنی به عنوان یک افزودنی ایده‌آل برای بهبود هدایت الکتریکی الکترودهای مبتنی بر MnO₂ در نظر گرفته می‌شوند. این نوع کامپوزیت‌ها هم ظرفیت انرژی خوب و هم برگشت پذیری مناسبی در چگالی‌های مختلف جریان را نشان دادند. سایر مواد کاتدی مبتنی بر MnO₂، مانند Na_0.95MnO₂ و کامپوزیت های MnO₂ / فیبر کربن نیز تهیه شده‌اند.

اخیرا بسیاری از مواد کاتدی جدید فراتر از MnO₂ ساخته شده‌اند. به عنوان مثال گروهی از دانشمندان یک ماده کاتد هگزاسیانوفرات مس با چارچوب باز را تولید کردند. نتایج نشان داد که Zn²⁺ را می توان به طور برگشت پذیر به این کاتد در محلول آبی وارد کرد و به دلیل شعاع کوچک Zn²⁺ از کاتد خارج کرد. همچنین یک باتری Zn/NiOOH که توسط گروهی دیگر پیشنهاد شد، نشان داد که بازدهی بالا با متوسط بازدهی کولمبی 96 درصد و بازده انرژی 86 درصد را می‌توان در 1000 چرخه به دست آورد. برخی از مواد کاتدی آلی مانند پلی آنیلین و فوم پلی آنیلین/نیکل نیز برای ZIBها توسعه داده شدند. در مقایسه با مواد کاتدی غیرآلی معمولی، مواد کاتدی آلی مزایایی مانند سازگاری زیست محیطی، هزینه کم و ساخت آسان را نشان می‌دهند.

به طور خلاصه، ZIB‌ها به عنوان یکی از نامزدهای بالقوه برای جایگزینی LIB در نظر گرفته شده‌اند. اما چندین محدودیت نیز وجود دارد که باید از آن‌ها اجتناب شود، مانند انتخاب محدود مواد کاتدی مناسب که امکان وارد کردن برگشت پذیر یون روی دو ظرفیتی، ظرفیت تخلیه کافی و عمر چرخه مناسب را می‌دهد.

بازار باتری روی یون

طبق یک مطالعه جدید، انتظار می‌رود اندازه بازار جهانی باتری‌های روی یون تا سال 2030 به 12.56 میلیارد دلار برسد.

ارزش بازار جهانی باتری‌های یون روی در سال 2022 به 9.44 میلیارد دلار رسید و انتظار می‌رود در دوره 8 ساله 2030-2022  با 3.6 درصد CAGR رشد کند.

باتری‌های مبتنی بر روی به طور فزاینده‌ای در صنایع مختلف مورد تقاضا هستند. بسیاری از سیستم‌های سیگنالینگ ترافیکی، از جمله علائم راهنمایی و رانندگی LED، علائم راهنمایی و رانندگی، و علائم ترافیکی بی‌شماری، از باتری‌های روی یون استفاده می‌کنند. نقص سیگنال‌های ترافیکی ناشی از عمر مفید کوتاه ممکن است منجر به تصادف شود، که به دلیل طولانی شدن عمر مفید آن‌ها، تقاضا برای بازار باتری‌های روی یون را افزایش داده است.

باتری‌های روی یون به دلیل انعطاف پذیری در برابر ارتعاشات، در بخش راه آهن نیز بسیار مهم هستند. از آنجایی که باتری‌های روی یون انرژی را در دماهای مختلف تامین می‌کنند، در بخش پزشکی، به ویژه در سمعک‌ها، برای اطمینان از بهترین عملکرد ممکن دستگاه استفاده می‌شوند. افزایش اختلالات شنوایی، به ویژه در ایالات متحده و اروپا، به فروش بیشتر کمک کرده است.

باتری‌های روی یون قابل شارژ سریع‌ترین نوع رشد را در طول دوره پیش‌بینی شده خواهند داشت، زیرا بازارهای بالقوه ناشناخته برای استفاده در لوازم الکترونیکی مصرفی، خودروهای سبک و منبع تغذیه بدون وقفه وجود دارد. در نتیجه فعالیت‌ها برای جایگزینی باتری‌های مبتنی بر جیوه با باتری‌های مبتنی بر روی، احتمالات جدیدی به وجود خواهد آمد.

به دلیل گسترش صنایع خودرو و الکترونیک آسیا و اقیانوسیه، این مناطق بیشترین امکان رشد در سطح جهانی را ارائه می‌دهند.

با توجه به قوانین و مقررات سختگیرانه کنترل انتشار کربن و تاکید روزافزون بر خودروهای سبک وزن برای افزایش بهره‌وری سوخت، تقاضا برای باتری‌های روی یون در اروپا و آمریکای شمالی نیز در حال افزایش است.