باتری لیتیوم–هوا چیست؟
باتری Lithium–Air یا Lithium–Oxygen یکی از فناوری‌های نسل بعدی ذخیره‌سازی انرژی است که به دلیل امکان دستیابی به چگالی انرژی بسیار بالا مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.
در این باتری‌ها معمولا لیتیوم فلزی در نقش آند قرار دارد و اکسیژن در سمت کاتد در واکنش الکتروشیمیایی مشارکت می‌کند.
برخلاف باتری‌های لیتیوم‌یون متداول که ماده فعال کاتد داخل خود باتری ذخیره شده است، در باتری لیتیوم–هوا اکسیژن می‌تواند از محیط خارجی تامین شود. همین ویژگی از دلایل اصلی پتانسیل بالای این فناوری از نظر انرژی ویژه است.
با این حال، بسیاری از نمونه‌هایی که در آزمایشگاه مطالعه می‌شوند در واقع با اکسیژن خالص کار می‌کنند و بنابراین اصطلاح Li–O₂ برای آن‌ها دقیق‌تر از Li–Air است. استفاده مستقیم از هوای محیط به دلیل وجود رطوبت، دی‌اکسیدکربن و سایر ترکیبات، چالش‌های بیشتری ایجاد می‌کند.
باتری لیتیوم–هوا چگونه کار می‌کند؟
در زمان دشارژ، لیتیوم در آند اکسید شده و یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در سمت کاتد، اکسیژن وارد واکنش شده و در بسیاری از طراحی‌های غیرآبی متداول، محصولی مانند لیتیوم پراکسید (Li₂O₂) تشکیل می‌شود.
در زمان شارژ، این واکنش باید معکوس شود؛ یعنی محصول تشکیل‌شده تجزیه شده و اکسیژن آزاد شود تا باتری دوباره به وضعیت اولیه برگردد. همین برگشت‌پذیری یکی از دشوارترین بخش‌های توسعه باتری‌های لیتیوم–هواست.
چرا باتری‌های لیتیوم–هوا جذاب هستند؟
مهم‌ترین مزیت بالقوه این فناوری، چگالی انرژی بسیار بالا است.
آزمایشگاه ملی Argonne در یکی از پروژه‌های خود گزارش کرده بود که یک نمونه لیتیوم–هوا در آزمایش‌ها ظرفیتی حدود سه برابر باتری لیتیوم‌یون نشان داده و پژوهشگران دستیابی به مقادیر بالاتر را نیز از نظر تحقیقاتی محتمل دانسته‌اند. در پژوهش‌های مختلف، اعداد متفاوتی مانند پنج برابر یا حتی بیشتر مطرح شده‌اند؛ اما این اعداد را نباید به‌عنوان عملکرد قطعی یک محصول تجاری در نظر گرفت.
نسل جدید باتری‌های لیتیوم–هوا با الکترولیت جامد
یکی از پیشرفت‌های مهم این حوزه در سال ۲۰۲۳ گزارش شد. پژوهشگران یک باتری لیتیوم–هوا با الکترولیت جامد ارائه کردند که در دمای اتاق کار می‌کرد و از یک واکنش چهارالکترونی برای تشکیل Li₂O بهره می‌برد.
استفاده از این مسیر واکنشی می‌تواند از نظر تئوری ظرفیت انرژی بیشتری نسبت به مسیر متداول تشکیل Li₂O₂ فراهم کند. Nature Reviews Materials این پیشرفت را یکی از مسیرهای امیدوارکننده برای توسعه نسل جدید باتری‌های Li–Air معرفی کرده است.
با وجود این، این فناوری همچنان در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد و فاصله قابل توجهی میان یک سلول آزمایشگاهی موفق و یک باتری تجاری قابل تولید در مقیاس انبوه وجود دارد.
چرا هنوز باتری لیتیوم–هوا در بازار رایج نیست؟
چگالی انرژی بالا به‌تنهایی برای موفقیت یک باتری کافی نیست. یک فناوری تجاری باید همزمان از نظر عمر سیکلی، ایمنی، توان خروجی، بازده، هزینه و پایداری شیمیایی نیز عملکرد مناسبی داشته باشد.
پایداری الکترولیت و واکنش‌های جانبی
گونه‌های فعال اکسیژن که هنگام شارژ و دشارژ ایجاد می‌شوند می‌توانند با الکترولیت و الکترودها واکنش داده و باعث تخریب تدریجی سلول شوند.
این واکنش‌های جانبی یکی از مهم‌ترین دلایل کاهش عمر باتری‌های Li–O₂ هستند.
محدودیت عمر سیکلی
یک باتری تجاری باید بتواند تعداد زیادی سیکل شارژ و دشارژ را بدون افت شدید عملکرد تحمل کند. در بسیاری از طراحی‌های لیتیوم–هوا، محصولات واکنش و واکنش‌های جانبی به‌مرور روی الکترودها تاثیر می‌گذارند و عملکرد سیستم کاهش پیدا می‌کند.
آند لیتیوم فلزی
استفاده از لیتیوم فلزی ظرفیت بسیار بالایی ایجاد می‌کند، اما مشکلات ایمنی و پایداری نیز به همراه دارد. محافظت از آند در برابر الکترولیت، اکسیژن و سایر ترکیبات یکی از چالش‌های مهم توسعه این فناوری است.
هوای واقعی با اکسیژن خالص متفاوت است
هوای محیط فقط از اکسیژن تشکیل نشده است. وجود موادی مانند H₂O و CO₂ می‌تواند باعث ایجاد واکنش‌های جانبی شود.
به همین دلیل، بسیاری از پژوهش‌های آزمایشگاهی از اکسیژن خالص استفاده می‌کنند و تبدیل یک سلول Li–O₂ به یک باتری واقعی Li–Air که مستقیما از هوای محیط استفاده کند، کار ساده‌ای نیست.
آیا باتری لیتیوم–هوا جایگزین Li-ion خواهد شد؟
باتری‌های لیتیوم‌یون طی چند دهه توسعه به فناوری بسیار بالغی تبدیل شده‌اند و امروز در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به‌طور گسترده استفاده می‌شوند.
در مقابل، باتری لیتیوم–هوا هنوز یک فناوری تحقیقاتی و در حال توسعه است. حتی مقالات علمی جدید نیز پایداری الکترولیت، تخریب الکترودها، واکنش‌های جانبی و عمر سیکلی را از موانع اصلی تجاری‌سازی این فناوری معرفی می‌کنند.
بنابراین در حال حاضر بهتر است Li–Air را یک فناوری امیدوارکننده برای نسل‌های آینده بدانیم، نه جایگزینی آماده برای باتری‌های لیتیوم‌یون امروزی.
کاربرد احتمالی باتری‌های لیتیوم–هوا در آینده
اگر مشکلات فنی این فناوری برطرف شوند، چگالی انرژی بالای آن می‌تواند برای کاربردهایی که وزن باتری در آن از اهمیت بالایی برخوردار است جذاب باشد؛ از جمله:
خودروهای الکتریکی با برد بالا، حمل‌ونقل سنگین و حتی برخی کاربردهای هوایی.
اما برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ثابت و BESS معیارهایی مانند طول عمر سیکلی، ایمنی، قیمت، قابلیت اطمینان و هزینه کل مالکیت اهمیت زیادی دارند. به همین دلیل، فناوری‌هایی مانند LiFePO₄ در حال حاضر انتخاب عملی‌تر و بالغ‌تری برای بسیاری از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند.
جمع‌بندی
باتری‌های لیتیوم–هوا به دلیل چگالی انرژی نظری بسیار بالا یکی از جذاب‌ترین فناوری‌های «فراتر از لیتیوم‌یون» به شمار می‌روند. استفاده از اکسیژن به‌عنوان یکی از اجزای واکنش الکتروشیمیایی این امکان را ایجاد می‌کند که مقدار انرژی ذخیره‌شده نسبت به وزن باتری افزایش قابل توجهی داشته باشد.
با این حال، ادعاهایی مانند «پنج برابر شارژ بیشتر» نباید به معنای وجود یک باتری تجاری با پنج برابر ظرفیت باتری‌های فعلی برداشت شوند. نتایج فعلی گزارش شده در مراجع عمدتا مربوط به پژوهش‌ها و نمونه‌های آزمایشگاهی هستند و چالش‌هایی مانند پایداری الکترولیت، عمر سیکلی، بازده، آند لیتیوم فلزی و استفاده از هوای واقعی هنوز بایستی بیشتر و عمیق‌تر بررسی شوند.
بنابراین Li–Air را می‌توان یکی از فناوری‌های امیدوارکننده آینده باتری‌ها دانست، اما برای کاربردهای امروزی، فناوری‌های بالغ‌تری مانند لیتیوم‌یون و LiFePO₄ همچنان گزینه‌های اصلی بازار هستند.
منابع
۱. Liu, T., Vivek, J. P., Zhao, E. W., Lei, J., Garcia-Araez, N., & Grey, C. P. Current Challenges and Routes Forward for Nonaqueous Lithium–Air Batteries. Chemical Reviews, Vol. 120, No. 14, pp. 6558–6625, 2020.
ACS Publications – Current Challenges and Routes Forward for Non-Aqueous Lithium–Air Batteries
۲. Asadi, M. et al. A Lithium–Oxygen Battery with a Long Cycle Life in an Air-Like Atmosphere. Nature, Vol. 555, pp. 502–506, 2018. Nature
Nature – A Lithium–Oxygen Battery with a Long Cycle Life in an Air-Like Atmosphere
