باتری های آلومینیوم- هوا ، منیزیم- هوا، لیتیم-هوا و... در دسته­ ی باتری های سیستم فلز – هوا می باشند.این باتری ها دارای چگالی انرژی نظری و ولتاژ کاری بالا هستند. با این حال مقادیر قابل دستیابی عملی آنها به علت واکنش خوردگی پارازیتی با تولید هیدروژن، بسیار پایین است. علاوه بر این، این باتری ها به صورت الکتریکی قابل شارژ نیستند، زیرا ترسیب الکتریکی آلومینیوم و منیزیم از لحاظ ترمودینامیکی در الکترولیت های آبی امکان­پذیر نمی­باشد. باتری­های آهن- هوا می­توانند به­ صورت الکتریکی شارژ شوند و دارای عمر چرخه­ای طولانی (چرخه 1000>) هستند، با این حال چگالی انرژی آنها در مقایسه با سایر باتری­های هوا- فلز مقدار پایین­تری دارد. بنابر دلایل ذکر شده عمده ی باتری های فلز-هوا قابلیت تجاری سازی و تولید در مقیاس صنعتی را دارا نمی­ باشند.                                                                                                                      

باتری های روی-هوا به دلیل پایداری نسبتا بالا و برگشت پذیری روی(زینک) به ویژه در الکترولیت های قلیایی، قیمت پایین و ایمنی بالا نسبت به سایر باتری های فلز-هوا صاحب تکنولوژی ویژه می باشند.تجاری سازی باتری های روی-هوا اولیه در سال 1932 آغاز شده است و تنها در سمعک ها، ساعت ها،چراغ های ناوبری و سیستم های سیگنال راه آهن استفاده می-شود.با این حال مشکلات مربوط به حفظ ظرفیت و عمر چرخه، که به طور عمده به تشکیل دندریت روی، تغییر شکل در حین بازسازی روی و عملکرد نامطلوب الکترود هوا وابسته است، تجاری سازی باتری های ثانویه (قابل شارژ) را کاهش داده است.اخیرا با توجه به پیشرفت های حاصل شده بیش از 5 شرکت آمریکایی و چندین شرکت اروپایی موفق به توسعه و ساخت باتری های روی-هوا قابل شارژ در چرخه ی عمر بالا شده اند.

 تعداد زیادی از باتری­های فلز هوا در مرحله تحقیقات هستند. باتریهای -یون لیتیم که از جمله پرمصرف ترین باتری­های متداول هستند که اتومبیل­های برقی مورد استفاده قرار می­گیرند . پیشبینی می­شود از این باتری ها تا سال 2027 استفاده شود. توسعه­ی فناوری­های جدید مربوط به باتری ها به گونه­ای است که بتوان از آن ها در تجهیزات موتورهای با احتراق داخلی متداول نیز استفاده نمود.  باتری های لیتیم – هوا ، لیتیم – سولفور ، روی – هوا و باتری های منیزیومی از جمله فناوری­هایی هستند که در مرحله تحقیقات به سر می­برند و تحقیقات گسترده ای برای افزایش راندمان آن در حال انجام است. این قبیل فناوری­ها در مرحله کاربرد حقیقی مسائل و مشکلاتی را نیز به همراه خواهند داشت. این دسته از باتری­ها به عنوان ذخیره کننده­های انرژی در سطح بین­المللی مطرح بوده  ولی بصورت انحصاری در حیطه معدود کشورهای جهان (آمریکا، اسپانیا، ....) مورد بهره­برداری قرار گرفته است و محدودیت­هایی جدی در صادرات آن­ها به کشورهای دیگر اعمال می­گردد. طرح پژوهشی حاضر برای اولین بار در سطح کشور با رویکرد بومی سازی دانش فنی و تولید صنعتی باتری های روی(زینک)-هوا اجرا خواهد شد که  سابقه­ی تولید آن در ایران وجود ندارد. محصول مورد نظر دارای مشابه خارجی است ولی تا به حال نمونه ای از آن در اشل صنعتی وارد کشور نشده است و این واحد برای نخستین بار اقدام به طراحی و تولید نمونه صنعتی آن می­کند.

 

 ویژگی­ های عمومی

باتری های زینک -ایر، بر اساس مواد فعال روی(زینک) ، ولتاژ سلولی تئوری برابر با V 1/65 و چگالی انرژی بالا و قابل قبول در حدود Wh / kg 1350 دارند. با این حال، اثرات قطبی شدن که به طور عمده از فعالسازی ، افت اهمی  و از دست دادن غلظت یک الکترود هوا ناشی می­شود، ولتاژ و عملکرد باتری را تحت شرایط عملی کاهش می­دهد. به عنوان مثال، ولتاژ تخلیه یک سلول روی-هوا معمولاً از 1 تا 3/1 ولت است، در حالی که ولتاژ شارژ تقریبا 8/1 ولت یا بالاتر می­باشد. اختلاف پتانسیل بالای این باتری ها در طول فرآیند شارژ- تخلیه منجر به از دست دادن کل بهره­وری انرژی و عملکرد آنها حتی قبل از اینکه هر گونه عوامل دیگر در نظر گرفته شود، می­گردد. در طی تخلیه، باتری های زینک-ایر از طریق اتصال الکتروشیمیایی یک آند روی(زینک)  به کاتد هوا در حضور یک الکترولیت قلیایی با یک واکنشگرکاتدی پایان­ناپذیر (اکسیژن) از اتمسفر به عنوان منبع تولید برق عمل می­کند. الکترون هایی که در آند (روی) آزاد می­شوند، از طریق بار خارجی به سمت کاتد (هوا) حرکت می­کنند و تولید یون روی(زینک ) رخ می دهد. در همین زمان، اکسیژن اتمسفر به الکترود متخلخل هوا نفوذ می­کند و آماده است تا از طریق واکنش ORR (واکنش مستقیم 1-1) به یون­های هیدروکسید احیاء شود که یک واکنش سه فازی، در ارتباط بین اکسیژن (گاز)، الکترولیت­ها (مایع) و الکتروکاتالیست­ها (جامد) می باشد. سپس یون­های هیدروکسید تولید­شده از محل واکنش به الکترودهای روی مهاجرت می­کنند و تشکیل یون های زینکات می­دهند (واکنش مستقیم 1-2)، سپس در غلظت فوق اشباع از زینکات بیشتر به اکسید روی (ZnO) نامحلول (واکنش مستقیم 1-3) تجزیه می­شود. معادله 1-4 واکنش کلی آند را نشان می­دهد. در طول شارژ، باتری های زینک-ایر ها قادر به ذخیره انرژی الکتریکی از طریق واکنش ردوکس معکوس در واکنش تولید اکسیژن (OER) بین الکترود و الکترولیت (واکنش برگشت 1-1) هستند،  درحالیکه روی(زینک) درسطح کاتد ترسیب می­شود (واکنش برگشت 1-4). واکنش کلی شارژ و تخلیه در یک الکترولیت قلیایی مطابق زیر می­باشد:

واکنش الکترود هوا:

O₂ + 2H₂O + 4e^- =4OH^-  ,   E= -0/40V vs. SHE        (1-1)                  

واکنش الکترود روی:

Zn + 4OH^-  = Zn (OH)₄^2- +2e^- ,  E= +1/25 V vs. SHE                           (2-1)

Zn (OH)₄^-2 =  ZnO +2OH^- + H₂O                                                           (3-1)     

Zn + 2OH^- = ZnO + H₂O + 2e^-, E = +1/25 V vs. SHE                           (4-1)

2Zn + O_{2 =} 2ZnO, E = 1/65 V vs.SHE        (واکنش کلی)                                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                          

شماتیکی از یک باتری زینک- ایر قابل شارژ و تصویری از اجزای سازنده آندر شکل­های 1-1 و 1-2 به ترتیب نشان داده شده است.فلز روی (زینک) به صورت ترمودینامیکی در یک الکترولیت آبی ناپایداراست، زیرا پتانسیل احیاء آن به مراتب پائین­تر از الکترودهای هیدروژن است.

 

 

بنابراین همواره یک نیروی محرکه­ که سبب خوردگی و یا اکسیداسیون روی(زینک) همراه با تولید هیدروژن هست، وجود دارد. همانطور که توسط واکنش زیر بیان شده است و در اصطلاح فنی تخلیه­ی خود به خودی باتری نامیده می­شود.

(1-6)                                          (خود تخلیه)           Zn + 2H₂O  = ZnO + H₂    

 

 

 

 

باتری های زینک - ایر می­توانند بسته به پیکربندی، الکترولیت­ها و الکترودها  به انواع مختلفی طبقه­بندی شوند  که در جدول زیر قابل مشاهده است. طرح­های قابل شارژ مکانیکی از مبادله الکترود روی (زینک)  "تازه" و سوخت گیری از شلاب روی (زینک) تازه / الکترولیت در طول حالت شارژ، استفاده می­کنند، در حالیکه شارژ الکتریکی باتری به یک الکترود جداگانه سوم (جهت حفظ OER برای شارژ) یا یک الکترود دو عاملی (الکترودی که قادر به انجام هر دو ORR و OER باشد ) نیاز دارد تا بتوان باتری را شارژ کرد.

 

 

 

 

 ولتاژ پایانی اندازه­گیری شده برای باتری در هر حالت خاص از تخلیه بسته به سرعت جریان بار، ساختار بلوری اجزای الکترود، امپدانس درونی داخل باتری و وضعیت شارژ ظاهر می شود. هر یک از سیستم باتری ها دارای ولتاژ واقعی و منحنی تخلیه­ی مشخص خود است. برای مثال، باتری­های مشخصی مانند باتری­های سرب- اسید دارای شیب تخلیه مشخصی هستند در حالی که باتری­های دیگر مانند باتری­های لیتیوم-یونی و باتری­های نیکل-کادمیم با نزول ناگهانی ولتاژ در پایان تخلیه، پروفیل های تخلیه­ی نسبتاً ثابتی دارند. ویژگی تخلیه شیبدار باعث می­شود توان و خروجی انرژی به طور مداوم در طول چرخه تخلیه کاهش یابد و به همین ترتیب مشکلات را برای برخی از برنامه­های کاربردی که نیاز به عرضه­ی خروجی پایدار دارند، افزایش می­دهد.لذا منحنی تخلیه هموار به دلیل حداکثر انرژی خروجی، به طور کلی ترجیح داده می شود. به طور معمول،  یک ولتاژ خروجی  هموار در طول چرخه تخلیه را در جریان ثابت حفظ می­کنند.