משתמש:Ace1984/סוללת מתכת אוויר
 |
דף זה אינו ערך אנציקלופדי
| |
| דף זה אינו ערך אנציקלופדי | |
סוללות מתכת אוויר מייצרת חשמל דרך תגובות חימצון – חיזור בין מתכת לבין החמצן באוויר [1]. מתכת אוויר מאופיינת באנודה של מתכת פעילה (אבץ, ליתיום, אלומיניום ומגנזיום). החומר הקתודי הינו החמצן המגיע מהסביבה ונכנס למערכת באמצעות ממברנת פחמן כלומר החומר אקטיבי (המחמצן) אינו אגור בתוך הסוללה דבר שמעלה את צפיפות האנרגיה וגם מוזל את מחיר הסוללה. ניתן לראות זאת במיוחד במערכת ליתיום-אוויר אשר בעלת אנרגיה ספציפית תאורטית גבוהה (11,700Wh/kg) ומתקרבת לערך של בנזין, אחד הנוזלים האנרגטיים ביותר [2],[3] . בהשוואה לסוללות ראשוניות (לא נטענות) כגון אבץ-מנגן אוקסיד (סוללות אצבע) וסוללות נטענות כגון עופרת-חומצה (המשמשת למצברים ברכבים), ניקל מתכת-הידריד וליתיום יון[4] , למשפחת מתכת-אוויר יש צפיפות אנרגיה תאורטית גבוהה בצורה משמעותית. אלקטרוליט מערכת יכול להיות אלקטרוליט מימי אשר מבוסס על אשלגן הידרוקסיד (KOH) בריכוזים בין 7M-5M . כמו-כן המערכת יכולה להיות מבוססת על אלקטרוליטים אל מימיים אשר מבוססים על ממסים אורגנים או נוזלים יוניים.
מבנה התא[עריכת קוד מקור | עריכה]
מבנה תא של מערכת מתכת אוויר מורכב מחלקים הבאים:
- אנודה-הינה המתכת פעילה.
- קתודה-מורכבת ממברנה אשר מאפשרת כניסת חמצן למערכת אך לא מאפשרת ליציאה של האלקטרוליט החוצה מהתא. בדרך כלל הקתודה מורכבת ברובה מפחמן פרוזיבי אשר נמצא על רשת מתכתית (כאוסף זרם). כמו-כן מוספים בדרך כלל קטריזטור (על מנת לזרז את תגובת החמצן).
- אלקטרוליט- יכול להיות נוזל, מוצק או ג'ל אשר יכולים להיות מימיים (בד"כ סביבה בסיסית) או אל מימיים עם מלחים של אותה מתכת (נוזלים יונים או ממסים אורגנים שונים).
חומרים אנודיים[עריכת קוד מקור | עריכה]
ניתן לחשוב על כל סוג של סוללת מתכת אוויר (כמו כן לא רק מתכת אלא גם פולימר ומוליך למחצה אשר ישמש כאנודה). החשוב הוא שהפרש הפוטנציאלים בין האנודה לקתודת האוויר יהיו גדול מספיק כדי לקבל מתח תא סביר. אם מדמים את סוללת מתכת אוויר למנוע שריפה החומרים האנודיים הינם בעצם הדלק של הסוללה וחמצן מאוויר הוא המחמצן. יש כמה סוגים של תאי מתכת ההבדל בינהם הינו באלקטרוכימיה וכימיה שלהם כאשר ההבדל העיקרי בניהם הוא פרמטרי 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 |
| ב1000 אטמוספרות 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 |
חשוב לציין כי פרמטים אלו תאורטיים בלבד, בפעול ערכים אלו יהיו קטנים יותר בשל מגוון רב של בעיות בתאים עצמם. בנוסף רוב המתכות שמשמשות למערכות מתכת אוויר (אבץ, אלומניום,מגנזיום) הינם מתכות נפוצות בכדור הארץ וזולות יחסית.
קתודת האוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
על פני האלקטרודת אוויר (הקתודה) מתרחשת תגובת חיזור החמצן. לרוב האלקטרודה מורכבת מפחמן פורוזיבי (נקבובי) עם קטליזטורים שונים[5]. הקטליזטורים מזרזים את תגובת החיזור של החמצן ומשפרים את הקינטיקה של התגובה וגדלים את הקיבול הספציפי של הקתודה (אלקטרודת האוויר)[6]. אחת הדרישות החשובות מהקתודה הינו שטח פני גדול, לצורך המשך יעיל של התגובה ואי עצירת התגובה עקב סתימת האלקטרודה. ניתן לחלק את הקטליזטורים של תגובת החיזור של החמצן לארבע קבוצות עיקריות[7]:
- פלטינה וסגסוגות מבוססות פלטינה (למשל ננו-חלקיקים של פלטינה-זהב).
- חומרים מבוססי פחמן (ננו-שכבות של גרפן)
- תחמוצות של מתכות מעבר (מבני ספינל ופרוסקיט מבוססי מנגן)
- חומרים מרוכבים אורגנים-אי אורגנים
למנת לאפשר פעילות תקינה של סוללות מתכת אוויר ישנו צורך בקתודות אוויר יעילות. כתוצאה מביקוש הן עבור תאי דלק והן עבור סוללות מתכת אוויר, מאמץ מדעי רב הושקע ב-30 שנים האחרונות ליצירת קתודת אוויר בתחומים כגון פיתוח/גילוי קטליזטורים חדשים ויעילים יותר, הגדלת זמן החיים של הקתודה כמוכן מציאת שיטות יצור זולות ויעילות יותר ליצירת קתודות אוויר[8].
אלקטרוליט[עריכת קוד מקור | עריכה]
אלקטרוליט במערכות מתכת אוויר יכול להיות נוזל מוצק או ג'ל.
אלקטרוליטים מימיים[עריכת קוד מקור | עריכה]
כאשר מדובר באלקטרוליטים מימים נעשה שימוש בסביבות אלקלניות (בסיסיות) מאוד. סביבה כזאת מעודפת מאשר סביבה חומצית עקב קצב קורוזיה קטן של אנודה. כאשר העדפה הינה למלח KOH מאשר NaOH עקב הולכה יותר טובה יותר. ריכוז של מלח ה-KOH נע בין 7M-5M.
אלקטרוליטים אל-מיימים[עריכת קוד מקור | עריכה]
ניתן לחלק את אלקטורליטים האל-מימיים לשתי קבוצות ממסיים אורגנים ונוזלים יוונים. בשני המקרים מוספים מלחים כאשר הקטיון של מלח הינו הקטיון של מתכת אשר ממנה מורכבת הקתודה, האניון הינו חייב להיות אניון נפחי וזאת כדי שיוכל להתמוסס בתמיסה האל מימיית. ההמסה של יוני המלח של אותה מתכת משפרים את המוליכות של היונים בתמיסה.
תגובות[עריכת קוד מקור | עריכה]
ניתן לחלק את התגובות לפי סוג האלקטרוליט בהם מתבצעת התגובה מימיי ואל מימיי:
עבור אלקטרוליטים מימיים:
תגובה של האנודה: M + 4OH− → M(OH)42– + 2e
תגובת של הקתודה: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH
תגובה כוללת: 2M + O2 → 2MO
עבור אלקטרוליטים אל מימיים:
התגובות המתרחשות בסביבה אל מימית אינן יודעות לגמרי ונחקרות בימים אלה.
תגובה של האנודה: -M → Mn+ + ne
תגובת של הקתודה: M+ + e- + O2 → MO
תגובה כוללת: 2M + O2 → 2MO
סוגי תאי מתכת אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
אבץ- אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
סוללות אבץ אוויר הינם מערכת אלוקטורכימית מסוג מתכת אוויר שהינה מסחרית כיום. ישנם גדלים שונים של תאי אבץ אוויר החל מסוללות כפתור אשר משתמשות למכשירי שמיעה ועד סוללות גדולות היכולות לשמש כתחליף לסוללות כספית ויכולות לשמש לאוטובוסים חשמליים. סוללות גדולות מאוד מיועדות לשימוש לרכבים חשמליים. ישנם אפליקציות צבאיות העושות שימוש בסוללות אבץ-אוויר בגדלים שונים. האנודה במערכת כזאת הינה חלקיקי אבץ המחוברים בבינדר (חומר מחבר) שהינו בד"כ פוליאתילן אוקסיד. את אנודה מספיגים באלקטרוליט. הקתודה הינה קתודת האוויר. תוך כדי הפריקה נוצרים יוני Zn(OH)2−4 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 התא[עריכת קוד מקור | עריכה]
פירוט התגובות המתקיימות בתא אבץ אוויר [10]
תגובה של האנודה: (Zn + 4OH− → Zn(OH)42– + 2e− (E=−1.25 V
תגובת האלקטרוליט: -Zn(OH)42– → ZnO + H2O + 2OH
תגובת של הקתודה: (O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– (E=+0.34 V
תגובה כוללת: (2Zn + O2 → 2ZnO (E=+1.59 V
אלומיניום- אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
סוללות אלומיניום –אוויר בעלות אחת הצפיפויות האנרגיה הגבוהות ביותר מכל הסוללות. אנרגיה ספציפית הינה הינה 1300 וואט שעה לק"ג[11] אך לא נעשה שימוש רב בסוללות מסוג זה עקב מחירן הגבוה יחסית ובעיות של פריקה עצמית עקב קרוזיה של אלומיניום בסביבה אלקלינית. כמו כן קיימות בעיות של תוצרי לוואי כמו שקיעה של אלומינטים ועקב כך ירידה בריכוז האלקטרוליט. בעיות אלו הגבילו את שימוש בסוללות אלומיניום אוויר לאפלקציות צבאיות בלבד. סוללות אלומיניום אוויר לשימוש של רכבים חשמליים יכול לספק טווח נסיעה בין תדלוקים של יותר מאשר פי 10 עד 15 מסוללות עופרת-חומצה, עבור אותו משקל של סוללה. סוללות אלומיניום לפחות נכון לעכשיו הינם תאים ראשונים, כלומר לא ניתנים לטעינה חשמלית. בתהליך הפריקה האלומיניום יוצר אלומניום הדרוקסיד אשר בין היתר מונע אפשרות טעינה חשמלית. אך ניתן לטעון את הסוללה בצורה מכנית על ידי רגנרציה של אלומיניום הדרוקסיד לאלומיניום בתהלכים 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]
תגובה של האנודה: (Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− (E= −1.66 V
תגובת של הקתודה: (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− (E=+0.40 V
תגובה כוללת: (4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 (E=+ 2.71 V
חשוב לציין כי באלקטרוליטים מיימים (תמיסת KOH) החלון הפוטנציאלים של האלקטורליט הינו 1.23V לכן בפועל המתח התא לא יעלה על 1.2V.
ליתיום- אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
סוללות ליתיום אוויר הוצעו כבר בשנות ה-70 של המאה ה-20 כמקור כוח לרכב חשמלי. אך רק לקראת סוף המאה ה-20 נוצרו התנאים הטכנוליגים (בעיקר בתחום החומרים) המתאימים לתחילת מחקר ופיתוח של סוללות אלו. קיימים ארבעה סוגים של תאי ליתיום אוויר (לפי סוג האלקטורליט): א-פרוטי, מימי, מוצק ועירובב בין ארופטי ומימי[12]. האפליקציה העיקרית שהסוללות מיועדות הינו לפתרונות לתחבורה, הודות לצפיפות האנרגיה של המערכת, הסוללה יכולה להתחרות עם מערכות מבוססות דלק המוכרות לנו היום. כי סוללה זו נמצאת בפיתוח בקבוצות האלקטרוכימיה המבילות בעולם. סוללות מבוססות ליתיום מראות ביצועים טובים יותר מסוללות אחרות הודות לצפיפות האנרגיתית הגבוהה יותר של הליתיום מאשר חומרים אחרים[13].
מגנזיום- אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]
לסוללות מגנזיום –אוויר יש צפיפות אנרגיה ואנרגיה ספציפית 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 מימי. אך עקב בעיות קורוזיה, יצירת גז מימן, חוסר יציבות בשכבת המגנזיום בסביבה חומציות, ויצרית שכבת פסיבציה אשר אינה מאפשרת פריקה של האנודה בסביבה בסיסיות. כמו כן, פולריזציה (קיטוב) גדולה בקתודת אוויר. 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. האתגרים העיקריים של מערכת הכוללת אוויר כמגיב הם למצוא אלקטרוליטים התומכים במערכת המאפשרת זרמים גבוהים לטעינה ופריקה אך גם יציבים בחשיפה לאוויר.
תגובות התא במערכת אל-מימית[עריכת קוד מקור | עריכה]
תגובה של האנודה: -Mg→ Mg+2+2e
תגובת של הקתודה: 2Mg+2+O2+4e-→ 2MgO
תגובה כוללת: Mg+1/2O2→ 2MgO
יתרונות[עריכת קוד מקור | עריכה]
היתרון הבולט ביותר של מערכת מתכת אוויר הינו צפיפות האנרגיה שלהם. דבר הנובע מכך שהחומר קתודי הפעיל (מחמצן) אינו אגור בתוך התא עצמו אלא עושה שימוש בחמצן אטמוספרי הנמצא בסביבה. עובדה זו מביאה יתרון נוסף של מערכות מסוג זה: המחיר הכולל של התא יורד משמעותית עקב שימוש בחמצן אטמוספרי אשר אינו עולה כסף, בניגוד לסוללות אחרות העושות שימוש בחומרים קתודיים יקרים.
אתגרים[עריכת קוד מקור | עריכה]
כמו לטכנוגליות סוללות אחרות, גם סוללות מתכת אוויר סובלות מבעיות מדעיות וטכנוגליות. אתגרים העיקרים הינם הניצולת הנמוכה של האנודה וקינטיקה האיטית של הקתודה.
אנודות[עריכת קוד מקור | עריכה]
באנודה מתקיימים תהליכים פסיבציה ו/או קרוזיה במגע עם האלקטורליט. הצטברות של התוצרי קרוזיה ופסיבציה כגון אוקסידים או הידרוסידים של מתכת והן צורונים אחרים על פני השטח של האנודה מונעים את הגישה של האלקטרוליט לפני המתכת ועל ידי כך מונעים המשך הפריקה של האנודה (מתכת) או אפשרות של טעינתה. פריקה עצמית וקורוזיה של אנודת המתכת מקטינים את האפקטיביות הקולומבית של האנודה ומתקטינים את זמן חיי הסוללה[14]
קתודות[עריכת קוד מקור | עריכה]
עבור קתודה (קתודת האוויר), האתגר העיקרי הינו קצבי הראקציה האיטיים, פוטנציאלי יתר גבוהים. והפיכות גרועה של תגובת חמצן[15]. התגובות בקתודה מערבות מתהליכים מורכבים אשר לא תמיד ידועים. באופן לא מפתיע אלקטרודות האוויר הינם האתגר הדומונדטי יותר בשיפור ביצועי מערכות מתכת אוויר[16].
שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]
באופן עקרוני מייעדים את סוללות מתכת אוויר כסוללות כאשר ישמשו כפתרון לרכבים חשמליים, זאת עקב צפיפות האנרגיה שלהם. כיום סוללות אלו (נכון להיום רק סוללת אבץ אוויר הינה מסחרית) משמשות למקור כוח במכשיר שמיעה ולאפליקציות צבאיות.
ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]
לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]
קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]
הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]
- ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
- ^ K. M. Abraham and Z. Jiang, J. Electrochem. Soc., 1996, 143, 1.
- ^ G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson and W. Wilcke, J. Phys. Chem. Lett., 2010, 1, 2193.
- ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002
- ^ New Energy and Fuel.2011.WordPress.20 Nov.2011
- ^ Ed. Jurgen O. Besenhard, Handbook of Battery Materials,New Your, Wiley-VCH, 1999.
- ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
- ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002.
- ^ D. Linden and T. B. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, New York, 3rd edn, 2002.
- ^ Duracell: Zinc–air Technical Bulletin
- ^ Yang, S. (2002)"Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles". Journal of Power Sources 112: 162–201.
- ^ M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 2008, 451, 652
- ^ B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 2001, 414, 34
- ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192
- ^ K. Kinoshita, Electrochemical Oxygen Technology, Wiley, New York, 1992.
- ^ Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2172–2192