סוללת מתכת-אוויר

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

סוללת מתכת-אוויר היא סוללה שבה לפחות תא אלקטרוכימי אחד. המייצר חשמל דרך תגובות חמצון-חיזור בין מתכת לבין החמצן באוויר‏[1]. הסוללה מאופיינת באנודה של מתכת פעילה (אבץ, ליתיום, אלומיניום ומגנזיום). החומר הקתודי הינו החמצן המגיע מהסביבה ונכנס למערכת באמצעות ממברנת פחמן, כלומר, החומר האקטיבי (המחמצן) אינו אגור בתוך הסוללה דבר שמעלה את צפיפות האנרגיה וגם מוזיל את מחיר הסוללה. ניתן לראות זאת במיוחד במערכת ליתיום-אוויר אשר היא בעלת אנרגיה ספציפית תאורטית גבוהה (11,700Wh/kg) ומתקרבת לערך של בנזין, אחד הנוזלים האנרגטיים ביותר‏[2],‏[3]. במובן זה, סוללת מתכת אוויר היא למעשה מעין הכלאה של תא דלק וסוללה.

בהשוואה לסוללות ראשוניות (לא נטענות) כגון אבץ-מנגן אוקסיד (סוללות אצבע) וסוללות נטענות כגון עופרת-חומצה (המשמשת למצברים ברכבים), סוללת ניקל מתכת-הידריד וסוללת ליתיום-יון[4], למשפחת מתכת-אוויר יש צפיפות אנרגיה תאורטית גבוהה בצורה משמעותית. האלקטרוליט במערכת מתכת-אוויר יכול להיות אלקטרוליט מימי אשר מבוסס על אשלגן הידרוקסידי (KOH) בריכוזים בין 7M-5M . כמו כן המערכת יכולה להיות מבוססת על אלקטרוליטים אל-מימיים אשר מבוססים על ממסים אורגניים או נוזלים יוניים.

מבנה התא[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנה סכמתי של תא מתכת-אוויר

מבנה תא של מערכת מתכת-אוויר מורכב מהחלקים הבאים:

  • אנודה - הינה המתכת פעילה.
  • קתודה - מורכבת ממברנה אשר מאפשרת כניסת חמצן למערכת אך לא מאפשרת יציאה של האלקטרוליט החוצה. בדרך כלל הקתודה מורכבת ברובה מפחמן פורוזיבי אשר נמצא על רשת מתכתית (כאוסף זרם). כמו כן מוסיפים בדרך כלל קטליזטור על מנת לזרז את תגובת החמצון.
  • אלקטרוליט - יכול להיות נוזל, מוצק או ג'ל, מיימי (בדרך כלל סביבה בסיסית) או אל-מיימי בתוספת מלחים של אותה מתכת (נוזלים יוניים או ממסים אורגניים שונים).

חומרים אנודיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

השוואה בין האנרגיות הספציפיות במערכות מתכת-אוויר. הערכים התאורטיים חושבו על בסיס התרמודינמיקה של החומרים הפעילים.

ניתן לחשוב על סוגים רבים של סוללת מתכת-אוויר, כאשר הפרמטר החשוב הוא שהפרש הפוטנציאלים בין האנודה לקתודת האוויר יהיה גדול מספיק כדי לקבל מתח תא סביר. אם מדמים סוללת מתכת-אוויר לתא דלק, החומרים האנודיים הינם בעצם הדלק של הסוללה והחמצן מהאוויר הוא המחמצן. בנוסף חשוב שהמתכת תהיה מתכת נפוצה בכדור הארץ וזולה יחסית (כגון אבץ, אלומיניום, מגנזיום). ההבדל בין החומרים המשמשים לאנודות נובע מהבדלים באלקטרוכימיה וכימיה ומתבטא בפרמטרי האנרגיה שלהם:

(W∙hr/l) צפיפות אנרגיה (W∙hr/kg) אנרגיה ספציפית (ΔG (kJ/mol)‎ ΔH (kJ/mol)‎ תגובת התא הדלק
21994 8146 1675.6- 1582.4- 2Al + 3/2O2→ Al2O3 אלומיניום
33151 17823 607.3- 578.1- Be + 1/2O2→ BeO בריליום
ב-1000 אטמוספירות 2693 32686 258.5- 237.2- H2 + 1/2O2→ H2O מימן
5960 11246 598.5- 561.9- 2Li + 1/2O2→ Li2O ליתיום
6859 3942 601.7- 569.4- Mg + 1/2O2→ MgO מגנזיום
9677 1363 350.7- 320.8- Zn + 1/2O2→ ZnO אבץ
19800 8470 910.9- 856.5- Si + O2→ SiO2 סיליקון
פרמטרים אלו תאורטיים בלבד, בפועל הערכים יהיו קטנים יותר בשל מגוון רב של בעיות בתאים עצמם.

קתודת האוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

על פני אלקטרודת האוויר (הקתודה) מתרחשת תגובת חיזור החמצן. לרוב, האלקטרודה מורכבת מפחמן פורוזיבי (נקבובי) עם קטליזטורים שונים‏[5]. הקטליזטורים מזרזים את תגובת החיזור של החמצן, משפרים את הקינטיקה של התגובה ומגדילים את הקיבול הספציפי של הקתודה (אלקטרודת האוויר)‏[6]. אחת הדרישות החשובות מהקתודה הינו שטח פנים גדול, לצורך המשך יעיל של התגובה ומניעת עצירת התגובה עקב סתימת האלקטרודה. ניתן לחלק את הקטליזטורים של תגובת החיזור של החמצן לארבע קבוצות‏[7]:

  • פלטינה וסגסוגות מבוססות פלטינה (למשל ננו-חלקיקים של פלטינה-זהב).
  • חומרים מבוססי פחמן (ננו-שכבות של גרפן)
  • תחמוצות של מתכות מעבר (מבני ספינל ופרובסקיט מבוססי מנגן)
  • חומרים מרוכבים אורגניים-אי אורגניים

על מנת לאפשר פעילות תקינה של סוללות מתכת-אוויר יש צורך בקתודות אוויר יעילות. ב-30 שנים האחרונות הושקע מאמץ מדעי רב ליצירת קתודת אוויר, כתוצאה מהצורך הן עבור תאי דלק והן עבור סוללות מתכת-אוויר. מאמץ זה הושקע בתחומים כגון פיתוח/גילוי קטליזטורים חדשים ויעילים יותר, הגדלת זמן החיים של הקתודה וכמו כן מציאת שיטות יצור זולות ויעילות יותר ליצירת קתודות אוויר‏[8].

אלקטרוליט[עריכת קוד מקור | עריכה]

האלקטרוליט במערכות מתכת-אוויר יכול להיות נוזל, מוצק או ג'ל.

  • אלקטרוליטים מימיים - כאשר מדובר באלקטרוליטים מימיים נעשה שימוש בסביבות אלקליות (בסיסיות) מאוד. סביבה כזאת מועדפת על פני סביבה חומצית בזכות קצב קורוזיה קטן של האנודה. ההעדפה הינה למלח בעל מוליכות חשמלית טובה יותר, למשל KOH מועדף על פני NaOH. ריכוז מלח ה-KOH נע בין 7M-5M.
  • אלקטרוליטים אל-מימיים - ניתן לחלק את האלקטרוליטים האל-מימיים לשתי קבוצות: ממסים אורגניים ונוזלים יוניים. בשני המקרים מוספים מלחים כאשר הקטיון של המלח הינו הקטיון של המתכת אשר ממנה מורכבת הקתודה, על מנת לשפר את המוליכות של היונים בתמיסה.

תגובות[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן לחלק את התגובות לפי סוג האלקטרוליט בהם מתבצעת התגובה: מיימי ואל-מיימי.

עבור אלקטרוליטים מימיים:

  • התגובה של האנודה: M + 4OH → M(OH)42– + 2e
  • התגובה של הקתודה: O2 + 2H2O + 4e → 4OH
  • התגובה הכוללת: 2M + O2 → 2MO

עבור אלקטרוליטים אל מימיים:

התגובות המתרחשות בסביבה אל מימית אינן ידועות לגמרי ונחקרות בימים אלה.

  • התגובה של האנודה: -M → Mn+ + ne
  • התגובה של הקתודה: M+ + e- + O2 → MO
  • התגובה הכוללת: 2M + O2 → 2MO

סוגי תאי מתכת-אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

אבץ-אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

סוללות אבץ-אוויר למכשירי שמיעה

סוללות אבץ אוויר הן מערכות אלקטרוכימיות מסוג מתכת-אוויר שהינן מסחריות כיום. ישנם גדלים שונים של תאי אבץ אוויר החל מסוללות כפתור שמשמשות למכשירי שמיעה ועד סוללות גדולות היכולות לשמש כתחליף לסוללות כספית ויכולות לשמש לאוטובוסים חשמליים. סוללות גדולות מאוד מיועדות לשימוש לרכבים חשמליים. ישנן אפליקציות צבאיות העושות שימוש בסוללות אבץ-אוויר בגדלים שונים. האנודה במערכת כזאת הינה חלקיקי אבץ המחוברים בביינדר (חומר מחבר) שהינו בדרך כלל פוליאתילן אוקסיד. את האנודה מספיגים באלקטרוליט. הקתודה הינה קתודת האוויר. תוך כדי הפריקה נוצרים יוני Zn(OH)4−2, יוני הזינקט משתקעים על קתודה בצורת ZnO ומים חוזרים לאלקטרוליט. כלומר מים ויוני הידרוקסיל ממוחזרים בקתודה, כתוצאה מכך האלקטרוליט לא נצרך בתגובה. המתח התאורטי של התא הינו 1.65V, אבל הוא יורד לערכים של 1.35-1.4V בתא אמיתי‏[9].

התגובות בתא[עריכת קוד מקור | עריכה]

פירוט התגובות המתקיימות בתא אבץ אוויר‏[10]

  • התגובה של האנודה: (Zn + 4OH → Zn(OH)42– + 2e (E=−1.25 V
  • התגובה של האלקטרוליט: -Zn(OH)42– → ZnO + H2O + 2OH
  • התגובה של הקתודה: (O2 + 2H2O + 4e → 4OH (E=+0.34 V
  • התגובה הכוללת: (2Zn + O2 → 2ZnO (E=+1.59 V

אלומיניום-אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

סוללות אלומיניום–אוויר הן בעלות אחת מצפיפויות האנרגיה הגבוהות ביותר מכל הסוללות: אנרגיה ספציפית של 1300 וואט שעה לק"ג‏[11], אך לא נעשה שימוש רב בסוללות מסוג זה עקב מחירן הגבוה יחסית ובעיות של פריקה עצמית בגלל קורוזיה של אלומיניום בסביבה אלקלינית. כמו כן קיימות בעיות של תוצרי לוואי כמו שקיעה של אלומינטים ועקב כך ירידה בריכוז האלקטרוליט. בעיות אלו הגבילו את השימוש בסוללות אלומיניום אוויר לאפליקציות צבאיות בלבד. שימוש בסוללות אלומיניום אוויר ברכבים חשמליים יוכל לספק טווח נסיעה בין תדלוקים של יותר מאשר פי 10 עד 15 ביחס לסוללות עופרת-חומצה, עבור אותו משקל סוללה.

נכון ל- 2012, סוללות אלומיניום הינם תאים ראשוניים, כלומר לא ניתנים לטעינה חשמלית. בתהליך הפריקה האלומיניום יוצר אלומיניום הידרוקסיד אשר בין היתר מונע אפשרות טעינה חשמלית. אך ניתן לטעון את הסוללה בצורה מכנית על ידי רגנרציה של אלומיניום הדרוקסיד לאלומיניום בתהליכים כימיים. לאחר הרגנרציה ניתן להכניס את האנודה לתא אלומיניום אוויר לשימוש נוסף. לשימוש של רכבים חשמליים דבר זה יהיה דומה למודל של חברת בטר פלייס של תחנות החלפת סוללות.

תגובות התא[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • התגובה של האנודה: (Al + 3OH → Al(OH)3 + 3e (E= −1.66 V
  • התגובה של הקתודה: (O2 + 2H2O + 4e → 4OH (E=+0.40 V
  • התגובה הכוללת: (4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 (E=+ 2.71 V

חשוב לציין כי באלקטרוליטים מימיים (תמיסת KOH) חלון הפוטנציאלים של האלקטרוליט הינו 1.23V, לכן בפועל מתח התא לא יעלה על 1.2V.

ליתיום-אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

תיאור סכמתי של פריקה וטעינה של סוללת ליתיום אוויר

סוללות ליתיום-אוויר הוצעו כבר בשנות ה-70 של המאה ה-20 כמקור הספק לרכב חשמלי, אך רק לקראת סוף המאה ה-20 נוצרו התנאים הטכנולוגיים (בעיקר בתחום החומרים) המתאימים לתחילת מחקר ופיתוח של סוללות אלו. קיימים ארבעה סוגים של תאי ליתיום אוויר (לפי סוג האלקטורליט): א-פרוטי, מיימי, מוצק ועירוב בין ארופטי ומיימי‏[12]. האפליקציה העיקרית שהסוללות מיועדות לה היא פתרונות לתחבורה. הודות לצפיפות האנרגיה של המערכת, הסוללה יכולה להתחרות עם מערכות מבוססות דלק המוכרות לנו היום. סוללה זו נמצאת בפיתוח בקבוצות האלקטרוכימיה המבילות בעולם.

סוללות מתכת אוויר מבוססות ליתיום מראות ביצועים טובים יותר מסוללות אחרות הודות לצפיפות האנרגטית הגבוהה יותר של הליתיום ביחס לחומרים אחרים‏[13].

מגנזיום-אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

לסוללות מגנזיום–אוויר יש צפיפות אנרגיה (נפחית) ואנרגיה ספציפית (ליחידת מסה) גבוהות המאפיינות את רוב סוללות המתכת-אוויר: צפיפות אנרגיה של 6859W∙hr/l, ואנרגיה ספציפית של 3942W∙hr/kg, עקב כך שימושים אפשריים לסוללות אלו כוללים מכשירים הצורכים אנרגיה לטווח ארוך, ואפילו כלי תחבורה. בשנות השבעים נעשו ניסיונות לחקור מערכות אשר התבססו על אלקטרוליט מיימי. הבעיות היו קורוזיה, יצירת גז מימן, חוסר יציבות בשכבת המגנזיום בסביבה חומצית ויצירת שכבת פסיבציה אשר אינה מאפשרת פריקה של האנודה בסביבה בסיסית. כמו כן, יש פולריזציה (קיטוב) גדולה בקתודת האוויר. יותר מאוחר נעשו ניסיונות לחקור בטריות מגנזיום נטענות על בסיס אלקטרוליטים אל-מימיים (מבוססים על חומרים אורגניים ללא מים), אך ללא קתודת אוויר וללא אוויר כאחד המגיבים. האתגר העיקרי לפיתוח מערכת הכוללת אוויר כמגיב הוא למצוא אלקטרוליטים התומכים במערכת המאפשרת זרמים גבוהים לטעינה ופריקה אך גם יציבים בחשיפה לאוויר.

תגובות התא במערכת אל-מימית[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • התגובה של האנודה: -Mg→ Mg+2+2e
  • התגובה של הקתודה: 2Mg+2+O2+4e-→ 2MgO
  • התגובה הכוללת: Mg+1/2O2→ 2MgO

יתרונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

היתרון הבולט ביותר של מערכות מתכת-אוויר הינו צפיפות האנרגיה שלהן. דבר הנובע מכך שהחומר הקתודי הפעיל (מחמצן) אינו אגור בתוך התא עצמו אלא עושה שימוש בחמצן אטמוספירי הנמצא בסביבה. עובדה זו מביאה יתרון נוסף של מערכות מסוג זה: המחיר הכולל של התא יורד משמעותית עקב שימוש בחמצן אטמוספירי אשר אינו עולה כסף, בניגוד לסוללות אחרות העושות שימוש בחומרים קתודיים יקרים.

אתגרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

כמו לטכנולוגיות סוללות אחרות, גם סוללות מתכת-אוויר סובלות מבעיות מדעיות וטכנולגיות. האתגרים העיקריים הינם הניצולת הנמוכה של האנודה והקינטיקה האיטית של הקתודה.

אנודות[עריכת קוד מקור | עריכה]

באנודה מתקיימים תהליכי פסיבציה ו/או קרוזיה במגע עם האלקטרוליט. תוצרי הקרוזיה והפסיבציה כגון אוקסידים או הידרוסידים הן של מתכת והן צורונים אחרים על פני השטח של האנודה מונעים את הגישה של האלקטרוליט לפני המתכת ועל ידי כך מונעים המשך פריקה של האנודה (מתכת) או אפשרות של טעינתה. פריקה עצמית וקורוזיה של אנודת המתכת מקטינות את האפקטיביות הקולומבית של האנודה ואת זמן חיי הסוללה‏[14]

קתודות[עריכת קוד מקור | עריכה]

עבור קתודה (קתודת האוויר), האתגרים העיקרי הם קצבי הראקציה האיטיים, פוטנציאלי יתר גבוהים והפיכות גרועה של תגובת החמצון‏[15]. התגובות בקתודה מערבות תהליכים מורכבים אשר לא תמיד ידועים. באופן לא מפתיע אלקטרודות האוויר מהוות את האתגר הדומיננטי בשיפור ביצועי מערכות מתכת-אוויר‏[16].

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

באופן עקרוני, סוללות מתכת-אוויר מיועדות לשמש כמקור אנרגיה להנעת רכבים חשמליים, הודות לצפיפות האנרגיה שלהם. כיום סוללות אלו (נכון להיום רק סוללת אבץ אוויר הינה מסחרית) משמשות כמקור כוח במכשירי שמיעה ולאפליקציות צבאיות.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקורות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
  2. ^ K. M. Abraham and Z. Jiang, J. Electrochem. Soc., 1996, 143, 1.
  3. ^ G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson and W. Wilcke, J. Phys. Chem. Lett., 2010, 1, 2193.
  4. ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002
  5. ^ New Energy and Fuel.2011.WordPress.20 Nov.2011
  6. ^ Ed. Jurgen O. Besenhard, Handbook of Battery Materials,New Your, Wiley-VCH, 1999.
  7. ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
  8. ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002.
  9. ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002.
  10. ^ Duracell: Zinc–air Technical Bulletin
  11. ^ Yang, S. (2002)"Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles". Journal of Power Sources 112: 162–201.
  12. ^ M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 2008, 451, 652
  13. ^ B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 2001, 414, 34
  14. ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
  15. ^ K. Kinoshita, Electrochemical Oxygen Technology, Wiley, New York, 1992.
  16. ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192