סוללת ליתיום–אוויר

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

סוללת ליתיום-אוויר (Li–air) היא סוללה אלקטרוכימית מסוג מתכת–אוויר, בה אנודת הליתיום עוברת תגובת חמצון, והקתודה מבוססת על חמצן מהאוויר שעובר תגובת חיזור. תהליך זה מייצר זרם חשמלי בתווך אלקטרוליטי המאפשר את מעבר יוני הליתיום[1].

לסוללות ליתיום-אוויר צפיפות אנרגיה סגולית תאורטית גבוהה במיוחד, שעשויה להגיע לכ־40.1 מגה־ג'ול לקילוגרם (ללא התחשבות במשקל החמצן), ערך הקרוב לזה של בנזין (כ־46.8 מגה־ג'ול לקילוגרם). בפועל, נחקרו סוללות בעלות צפיפות אנרגיה של כ־6.12 מגה־ג'ול לק"ג ליתיום ברמת התא השלם – פי חמישה מסוללות ליתיום-יון מסחריות[2]. צפיפות אנרגיה זו מאפשרת, תאורטית, הפעלה של רכב חשמלי במשקל 2,000 ק"ג למרחק של כ־500 ק"מ בטעינה אחת, תוך שימוש בכ־60 ק"ג ליתיום (כלומר, כ־20.4 קוט"ש ל־100 ק"מ).

עיצוב ואופן הפעולה

סוללת ליתיום-אוויר סוגרת מעגל חשמלי על ידי העברת יוני ליתיום בין האנודה והקתודה, בעוד אלקטרונים נעים דרך מעגל חיצוני שמחבר בין האנודה לקתודה. במהלך הפריקה, האלקטרונים נעים דרך המעגל החיצוני ומבצעים עבודה חשמלית, בעוד שיוני הליתיום נודדים אל הקתודה. בזמן הטעינה, ליתיום מתכתי שוקע על האנודה, וחמצן (O₂) משתחרר מהקתודה.

סכמה המתארת את תהליך הפריקה והטעינה של בטרית ליתיום-אוויר.

קיימות גרסאות שונות לסוללות ליתיום–חמצן: סוללות לא-מימיות[3][4], שבהן תוצרי הפריקה הם ליתיום פראוקסיד (Li₂O₂) או ליתיום סופראוקסיד (LiO₂), וכן סוללות מימיות, שבהן תוצר הפריקה הוא הידרוקסיד ליתיום (LiOH) [5][6]. במקרה של סוללה מימית, יש צורך בשכבת מגן מיוחדת על האלקטרודה השלילית כדי למנוע תגובה ישירה בין הליתיום המתכתי לבין המים – תגובה אשר עלולה לפגוע ביציבות ובתפקוד הסוללה.

אנודה

האנודה הנפוצה בסוללות ליתיום–אוויר עשויה מליתיום מתכתי, אשר עובר חמצון ומשחרר אלקטרונים[7]:

Li↽−−⇀LiA++eA−

ליתיום מצטיין בקיבול סגולי גבוה (3,840 mAh/g), אך מגיב בקלות עם האלקטרוליט[8], דבר העלול להוביל להיווצרות דנדריטים ולפגוע בבטיחות הסוללה[9] לשם כך נחקרות גישות שונות לייצוב ממשק האנודה–אלקטרוליט, ובהן שימוש באלקטרוליטים פולימריים או חומרים קרמיים מוליכי יונים. לדוגמה, שכבות הגנה כמו Li₃P או Li₃N מסייעות במניעת קצרים ודעיכת ביצועים[10].

קתודה

במהלך פריקת הסוללה, החמצן שבקתודה עובר חיזור ומגיב עם יוני ליתיום. תשתית הקתודה עשויה לרוב מפחמן מזופורי (בעל נקבוביות בינוניות), בשילוב זרזים מתכתיים כמו מנגן, קובלט, רותניום, פלטינה או כסף[11]. זרזים אלו משפרים את קצב התגובות ומעלים את הקיבול הסגולי של הקתודה[12].

המבנה הנקבובי של הקתודה משפיע באופן מהותי על ביצועי הסוללה – חסימת הנקבוביות בתוצרי פריקה בלתי הפיכים כגון ליתיום פראוקסיד (Li₂O₂) פוגעת ביעילות הפריקה ויוצרת צוואר בקבוק תפקודי[13].

אלקטרוליט

סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט אפורטי.

המאמצים בתחום סוללות ליתיום–אוויר התמקדו בארבעה סוגים של אלקטרוליטים: מימיים חומציים, מימיים בסיסיים, לא-מימיים פרוטיים, ולא-פרוטיים (aprotic)[14].

אלקטרוליט מימי

סוללה מימית מורכבת מאנודה מליתיום מתכתי, אלקטרוליט מימי וקתודה מפחמן נקבובי. המלחים המומסים באלקטרוליט מונעים הצטברות תוצרי פריקה מוצקים, ומאפשרים מתח פריקה גבוה יותר[3]. עם זאת, נדרשת שכבת הגנה מוצקה בין אנודת הליתיום למים עקב תגובתו האגרסיבית של ליתיום מתכתי עם מים. שכבות אלו מבוססות לרוב על זכוכית או קרמיקה מוליכות, בעלות מוליכות נמוכה יחסית (≈10⁻³ S/cm בטמפרטורת החדר)[15].

אלקטרוליט אפרוטי

בגרסה הא-פרוטית, נעשה שימוש באלקטרוליטים אורגניים (כגון קרבונטים או אתרים) ובאנודה מליתיום מתכתי[16][9][17] הקתודה מבוססת על פחמן נקבובי עם זרזים ננומטריים. תוצר הפריקה העיקרי הוא, Li₂O₂ אשר שוקע ואינו מסיס, מה שמוביל לחסימת נקבוביות וירידה בתפקוד[15]. בנוסף, תוצרי לוואי כגון Li₂CO₃ נוצרים במתחים גבוהים, וגורמים לאובדן קיבול[17]. זרזים מבוססי זהב או פלטינה מסייעים בשיפור תגובות החמצון והחיזור[15].

אלקטרוליט היברידי (מימי-אפרוטי)

סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט היברידי.

עיצוב היברידי משלב בין אלקטרוליט מימי בצד הקתודה לאלקטרוליט לא-מימי בצד האנודה, תוך הפרדה באמצעות ממברנה קרמית מוליכת ליתיום[18]. חומרים ממשפחת NASICON נבדקו לשם כך, אך מוליכותם הנמוכה ומגבלות יציבות כימית מציבות אתגר תעשייתי[19]. ממברנות מבוססות סיליקון גבישי או פולימרים והשיג נצילות של 93% ומעל 2,000 מחזורי טעינה–פריקה, אך דרש שימוש בחמצן טהור[20].

אלקטרוליט מצב מוצק

סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט מוצק

בסוללות מצב מוצק, כל רכיבי התא – כולל האלקטרוליט – הם מוצקים. החומרים מבוססים לרוב על זכוכית או קרמיקה, עם תרכובות פולימריות מרוכבות לשיפור מוליכות והדבקה בין השכבות. היתרון המרכזי הוא בטיחות גבוהה, אך מוליכות יוני הליתיום עדיין נמוכה ביחס לאלקטרוליטים נוזליים, מה שמגביל את הביצועים בתנאים של זרמים גבוהים[21].

ראו גם

לקריאה נוספת

Balaish, Moran; Kraytsberg, Alexander; Ein-Eli, Yair (2014). "A critical review on lithium–air battery electrolytes". Physical Chemistry Chemical Physics. 16 (7): 2801. doi:10.1039/C3CP54165G. PMID 24424632

הערות שוליים

  1. ↑ Sukhvinder P. S. Badwal, Sarbjit S. Giddey, Christopher Munnings, Anand I. Bhatt, Anthony F. Hollenkamp, Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies, Frontiers in Chemistry 2, 2014-09-24 doi: 10.3389/fchem.2014.00079
  2. ↑ Peter G. Bruce, Stefan A. Freunberger, Laurence J. Hardwick, Jean-Marie Tarascon, Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage, Nature Materials 11, 2012-01, עמ' 19–29 doi: 10.1038/nmat3191
  3. ^ 3.0 3.1 Takeshi Ogasawara, Aurélie Débart, Michael Holzapfel, Petr Novák, Peter G. Bruce, Rechargeable Li 2 O 2 Electrode for Lithium Batteries, Journal of the American Chemical Society 128, 2006-02-01, עמ' 1390–1393 doi: 10.1021/ja056811q
  4. ↑ Kevin G. Gallagher, Steven Goebel, Thomas Greszler, Mark Mathias, Wolfgang Oelerich, Damla Eroglu, Venkat Srinivasan, Quantifying the promise of lithium–air batteries for electric vehicles, Energy & Environmental Science 7, 2014, עמ' 1555 doi: 10.1039/c3ee43870h
  5. ↑ Kang Xu, Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries, Chemical Reviews 104, 2004-10-01, עמ' 4303–4418 doi: 10.1021/cr030203g
  6. ↑ Bryan D. McCloskey, Colin M. Burke, Jessica E. Nichols, Sara E. Renfrew, Mechanistic insights for the development of Li–O 2 battery materials: addressing Li 2 O 2 conductivity limitations and electrolyte and cathode instabilities, Chemical Communications 51, 2015, עמ' 12701–12715 doi: 10.1039/C5CC04620C
  7. ↑ Ian Kowalczk, Jeffery Read, Mark Salomon, Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities, Pure and Applied Chemistry 79, 2007-01-01, עמ' 851–860 doi: 10.1351/pac200779050851
  8. ↑ Moran Balaish, Alexander Kraytsberg, Yair Ein-Eli, A critical review on lithium–air battery electrolytes, Physical Chemistry Chemical Physics 16, 2014, עמ' 2801 doi: 10.1039/c3cp54165g
  9. ^ 9.0 9.1 Nobuyuki Imanishi, Masaki Matsui, Yasuo Takeda, Osamu Yamamoto, Lithium Ion Conducting Solid Electrolytes for Aqueous Lithium-air Batteries, Electrochemistry 82, 2014, עמ' 938–945 doi: 10.5796/electrochemistry.82.938
  10. ↑ Robust and Manufacturable Lithium Lanthanum Titanate-Based Solid-State Electrolyte Thin Films Deposited in Open Air, doi.org
  11. ↑ Yi-Chun Lu, Hubert A. Gasteiger, Michael C. Parent, Vazrik Chiloyan, Yang Shao-Horn, The Influence of Catalysts on Discharge and Charge Voltages of Rechargeable Li–Oxygen Batteries, Electrochemical and Solid-State Letters 13, 2010, עמ' A69 doi: 10.1149/1.3363047
  12. ↑ J. Read, Characterization of the Lithium/Oxygen Organic Electrolyte Battery, Journal of The Electrochemical Society 149, 2002, עמ' A1190 doi: 10.1149/1.1498256
  13. ↑ Charles P. Andersen, Han Hu, Gang Qiu, Vibha Kalra, Ying Sun, Pore-Scale Transport Resolved Model Incorporating Cathode Microstructure and Peroxide Growth in Lithium-Air Batteries, Journal of The Electrochemical Society 162, 2015, עמ' A1135–A1145 doi: 10.1149/2.0051507jes
  14. ↑ Aurélie Débart, Allan J. Paterson, Jianli Bao, Peter G. Bruce, α‐MnO 2 Nanowires: A Catalyst for the O 2 Electrode in Rechargeable Lithium Batteries, Angewandte Chemie International Edition 47, 2008-06-02, עמ' 4521–4524 doi: 10.1002/anie.200705648
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 L. Shi, A. Xu, T. S. Zhao, Formation of Li 3 O 4 nano particles in the discharge products of non-aqueous lithium–oxygen batteries leads to lower charge overvoltage, Physical Chemistry Chemical Physics 17, 2015, עמ' 29859–29866 doi: 10.1039/C5CP03886C
  16. ↑ G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke, Lithium−Air Battery: Promise and Challenges, The Journal of Physical Chemistry Letters 1, 2010-07-15, עמ' 2193–2203 doi: 10.1021/jz1005384
  17. ^ 17.0 17.1 Ian Kowalczk, Jeffery Read, Mark Salomon, Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities, Pure and Applied Chemistry 79, 2007-01-01, עמ' 851–860 doi: 10.1351/pac200779050851
  18. ↑ Yonggang Wang, Haoshen Zhou, A lithium-air battery with a potential to continuously reduce O2 from air for delivering energy, Journal of Power Sources 195, 2010-01, עמ' 358–361 doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.109
  19. ↑ Bin Liu, Wu Xu, Pengfei Yan, Xiuliang Sun, Mark E. Bowden, Jeffrey Read, Jiangfeng Qian, Donghai Mei, Chong‐Min Wang, Ji‐Guang Zhang, Enhanced Cycling Stability of Rechargeable Li–O 2 Batteries Using High‐Concentration Electrolytes, Advanced Functional Materials 26, 2016-01, עמ' 605–613 doi: 10.1002/adfm.201503697
  20. ↑ Mingzhe Yu, Xiaodi Ren, Lu Ma, Yiying Wu, Integrating a redox-coupled dye-sensitized photoelectrode into a lithium–oxygen battery for photoassisted charging, Nature Communications 5, 2014-10-03 doi: 10.1038/ncomms6111
  21. ↑ N. Worathumrong, A. J. Grimes, The effect of o-salicylate upon pentose phosphate pathway activity in normal and G6PD-deficient red cells, British Journal of Haematology 30, 1975-06, עמ' 225–231 doi: 10.1111/j.1365-2141.1975.tb00536.x
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

סוללת ליתיום–אוויר41826468Q6126452

אוחזר מתוך "https://www.hamichlol.org.il/w/index.php?title=סוללת_ליתיום–אוויר&oldid=3471029"