الموسوعة الكهربائية - أنواع بطاريات الهواء ومميزاتها

مع التحول العالمي في هياكل الطاقة وتسارع عملية الكهربة على مستوى العالم، جذبت البطاريات الهوائية تدريجياً اهتماماً واسع النطاق كتقنية ناشئة للبطاريات. ويتمثل مبدأ عمل البطاريات الهوائية في استخدام الأكسجين من الهواء كمادة قطب موجب والمعدن كقطب سالب، مع إلكتروليت يتكون عادةً من محاليل قلوية أو غيرها من الوسائط السائلة. وتوفر البطاريات الهوائية كثافة طاقة عالية وعمر خدمة طويل، مما يدل على إمكانات كبيرة، خاصة في السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة. واعتماداً على مادة القطب السالب المستخدمة، يمكن تصنيف البطاريات الهوائية إلى أنواع مختلفة، بما في ذلك بطاريات الزنك والهواء والليثيوم والهواء والألومنيوم والهواء، وهي الأكثر بحثاً وتطبيقاً على نطاق واسع.

بطارية الزنك والهواء

هواء الزنك والهواء البطارية هي نوع من البطاريات الأولية التي تستخدم الأكسجين من الهواء كمادة قطب موجب، والزنك كقطب سالب، وكلوريد الأمونيوم أو المحلول القلوي الكاوية كإلكتروليت. وهي تعمل بشكل مشابه للبطارية الأولية التقليدية ولكنها توفر كثافة طاقة أعلى بكثير وتكاليف تصنيع أقل. وهذا يجعل بطاريات الزنك والهواء مناسبة لتطبيقات مثل أجهزة السمع وأجهزة الاستشعار اللاسلكية والأدوات الكهربائية الصغيرة. وعلى الرغم من هيكلها البسيط وكثافة طاقتها العالية نسبياً، تواجه بطاريات الزنك الهوائية تحديات كبيرة في الشحن. فعملية الشحن أبطأ بكثير من الأنواع الأخرى من البطاريات، ويميل أنود الزنك إلى التأكسد أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى فقدان فعاليته. ونتيجة لذلك، تحتاج بطاريات الزنك-الهواء عموماً إلى الاستبدال أو التجديد بألواح زنك وإلكتروليتات جديدة لاستعادة وظائفها. ومع ذلك، لا تزال بطاريات الزنك-الهواء خياراً مثالياً للعديد من المجالات نظراً لانخفاض تكلفتها وملاءمتها للبيئة.

بطارية ليثيوم-هواء

وتستخدم بطارية الليثيوم-الهواء معدن الليثيوم كقطب سالب والأكسجين من الهواء كمادة قطب موجب، وعادة ما يكون الإلكتروليت مذيباً سائلاً عضوياً أو إلكتروليتاً صلباً. تُعتبر بطاريات الليثيوم والهواء طفرة محتملة في البطاريات عالية الكثافة في الطاقة، حيث توفر نظرياً كثافة طاقة أكبر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. وهذا يجعلها واعدة بشكل خاص للسيارات الكهربائية، حيث يمكن أن تحل مشكلة المدى المحدود. من الناحية النظرية، تكون سعة القطب الموجب غير محدودة تقريبًا لأنه يمكن أن يستخدم الأكسجين مباشرة من الهواء، مما يقلل بشكل كبير من وزن البطارية. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام الليثيوم المعدني كقطب سالب إلى زيادة كثافة طاقة البطارية.

ومع ذلك، لم يتم اعتماد بطاريات الليثيوم والهواء على نطاق واسع، ويرجع ذلك أساسًا إلى عيب قاتل. حيث يميل أكسيد الليثيوم (Li₂O₂O₂) المتكون أثناء عملية التفريغ إلى التراكم على القطب الموجب، مما يسد التلامس بين الإلكتروليت والهواء، الأمر الذي يوقف عملية التفريغ في نهاية المطاف. وعلى الرغم من الأبحاث الجارية لمعالجة هذه المشكلة، إلا أن هذه التحديات حالت دون وصول بطاريات الليثيوم والهواء إلى مرحلة التسويق التجاري على نطاق واسع.

بطارية الألومنيوم والهواء

بطارية الألومنيوم والهواء هي نوع من بطاريات الألومنيوم والهواء التي تستخدم الألومنيوم كقطب سالب والأكسجين من الهواء كمادة قطب موجب. وتشمل مزاياها كثافة الطاقة العالية، وملاءمتها للبيئة، وحقيقة أن الألومنيوم مادة وفيرة وغير مكلفة. وهذا يمنح بطاريات الألومنيوم والهواء إمكانية هائلة للاستخدام على نطاق واسع. وبالمقارنة مع الأنواع الأخرى من البطاريات المعدنية والهوائية، توفر بطاريات الألومنيوم والهواء أيضاً كفاءة عالية وتكاليف مادية أقل، مما يجعلها خياراً جذاباً لتخزين الطاقة والمركبات الكهربائية.

تتمثل إحدى أكبر مزايا بطاريات الألومنيوم والهواء في أنها غير ملوثة وطويلة الأمد ومستقرة وصديقة للبيئة. ويمكن تكييفها مع مختلف التطبيقات، بدءاً من المركبات البرية إلى استكشاف أعماق البحار. وتتميز بطاريات الألومنيوم والهواء بقابليتها العالية للتكيف، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في المجالات العسكرية والفضائية وغيرها من المجالات عالية الاستهلاك للطاقة. ومع ذلك، تواجه بطاريات الألومنيوم والهواء تحديات تتعلق بالتأثيرات البيئية، مثل الرطوبة، والتي يمكن أن تؤثر على أدائها. وسيظل تحسين استقرار ومتانة هذه البطاريات مجالاً رئيسياً للبحث في المستقبل.

الخاتمة

الهواء البطاريات تمثل تقنية بطاريات ناشئة ذات كثافة طاقة عالية وعمر خدمة طويل وفوائد بيئية. وتتمتع كل من بطاريات الزنك والهواء والليثيوم والهواء والألومنيوم والهواء بمزايا وتحديات فريدة من نوعها. وعلى الرغم من أنها لا تزال تواجه معوقات تقنية، إلا أنه من المتوقع أن تلعب البطاريات الهوائية دورًا متزايد الأهمية في أنظمة الطاقة المستقبلية مع استمرار الباحثين في معالجة هذه التحديات. ومع التقدم التكنولوجي المستمر والتوسع في سيناريوهات التطبيق، تستعد البطاريات الهوائية لتصبح محركًا رئيسيًا لثورة الطاقة العالمية.