باتری مگنزیم | ساختار شیمیایی باتری مگنزیم
مگنزیوم به عنوان مواد آند در باتریهای اولیه به دلیل پتانسیل استاندارد بالا استفاده میشود. این فلز سبک و قابل دسترسی است و هزینه کمتری دارد. باتری مگنزیوم/دیاکسید منگنز (Mg/MnO2) دو برابر عمر خدمتی یعنی ظرفیت باتری روی/دیاکسید منگنز (Zn/MnO2) با اندازه مشابه دارد. همچنین میتواند ظرفیت خود را حتی در دماهای بالا حفظ کند. باتری مگنزیوم بسیار مقاوم و قابل ذخیره است زیرا همیشه پوشش محافظی طبیعی بر روی سطح آند مگنزیوم تشکیل میشود.
باتری مگنزیوم پس از تخلیه جزئی، قابلیت ذخیرهسازی خود را از دست میدهد و به همین دلیل برای استفاده در کاربردهای متناوب بلندمدت مناسب نیست. این دلیل اصلی است که باتری مگنزیوم محبوبیت خود را از دست میدهد و باتریهای لیتیوم جایگزین آن میشوند.
شیمی باتری مگنزیوم
در باتریهای اولیه مگنزیوم، آلیاژ مگنزیوم به عنوان آند استفاده میشود؛ دیاکسید منگنز به عنوان ماده کاتد استفاده میشود. اما دیاکسید منگنز نمیتواند رسانایی مورد نیاز را به کاتد ارائه دهد، بنابراین سیاهکربن آسهتیلن با دیاکسید منگنز مخلوط میشود تا رسانایی مورد نیاز به دست آید. پرکلرات مگنزیوم به عنوان الکترولیت استفاده میشود. کرومیت باریوم و لیتیوم به الکترولیت اضافه میشوند تا از فرسودگی جلوگیری شود. هیدروکسید مگنزیوم نیز به این مخلوط به عنوان عامل بفرهسازی اضافه میشود تا ذخیرهپذیری بهبود یابد.
واکنش اکسیداسیون که در آند اتفاق میافتد،
واکنش کاهش که در کاتد اتفاق میافتد،
واکنش کلی،
ولتاژ بازدارنده، این سلول حدود ۲ ولت ارائه میدهد اما مقدار نظری پتانسیل سلول ۲.۸ ولت است.
احتمال فرسودگی مگنزیوم حتی در شرایط محیطی بسیار شدید بسیار کم است. مگنزیوم خام با رطوبت واکنش نشان میدهد و یک پوشش نازک از Mg(OH)2 بر روی سطح آن تشکیل میشود.
این لایه نازک از پراکسید مگنزیوم به عنوان لایه محافظ بر روی مگنزیوم عمل میکند. علاوه بر این، درمان کرومیت بر روی مگنزیوم این حفاظت را به میزان بسیار زیادی بهبود میبخشد. اما وقتی این لایه محافظ پراکسید مگنزیوم سوراخ شود یا به دلیل تخلیه باتری حذف شود، فرسودگی با تشکیل گاز هیدروژن رخ میدهد.
این شیمی اساسی باتری مگنزیوم است.
ساختار باتری مگنزیوم
از نظر ساختار، یک سلول باتری مگنزیوم استوانهای مشابه با یک سلول باتری روی-کربن استوانهای است. در اینجا آلیاژ مگنزیوم به عنوان محفظه اصلی باتری استفاده میشود. این آلیاژ از مگنزیوم و مقدار کمی آلومینیوم و روی تشکیل شده است. در اینجا دیاکسید منگنز به عنوان ماده کاتد استفاده میشود. از آنجا که دیاکسید منگنز رسانایی ضعیفی دارد، سیاهکربن آسهتیلن با آن مخلوط میشود تا رسانایی آن بهبود یابد. این کار همچنین به حفظ آب داخل کاتد کمک میکند. در این مخلوط کاتد کرومیت باریوم به عنوان مهارکننده و هیدروکسید مگنزیوم به عنوان عامل بفرهسازی اضافه میشود. پرکلرات مگنزیوم با کرومیت لیتیوم در آب حل شده به عنوان الکترولیت استفاده میشود. کربن به عنوان جمعآور جریان به مخلوط کاتد اضافه میشود. کاغذهای کرافت جذبکننده محلول الکترولیت بین مواد آند و کاتد به عنوان جداکنندهها قرار میگیرند. در طراحی سیستم بستهبندی باتری مگنزیوم باید توجه خاصی داشت. بستهبندی باتری نباید به اندازهای متخلخل باشد که رطوبت داخل باتری در زمان ذخیرهسازی تبخیر شود و نباید به اندازهای غیرمتخلخل باشد که گاز هیدروژن تشکیل شده در زمان تخلیه نتواند از باتری خارج شود. بنابراین بستهبندی باتری باید رطوبت داخلی را حفظ کند و در عین حال مسیر کافی برای گاز هیدروژن تشکیل شده ارائه دهد. این کار میتواند با ایجاد یک سوراخ کوچک در بالای پلاستیک بستهبندی تحت حلقه نگهداری انجام شود. وقتی گاز اضافی از سوراخ خارج میشود، حلقه نگهداری به دلیل فشار تغییر شکل مییابد و گاز از آن خارج میشود.
آند مگنزیوم پوشش بیرونی باتری را تشکیل میدهد، اما یک ساختار دیگری از باتری مگنزیوم نیز وجود دارد که کربن پوشش بیرونی باتری را تشکیل میدهد. در اینجا یک محفظه شکل خاص از کربن رسانا تشکیل میشود. این محفظه به شکل یک فنجان استوانهای شکل است و یک شکل میلهای از مرکز آن بیرون میآید. آند باتری توسط یک استوانه یا درام مگنزیوم تشکیل میشود. قطر استوانه آند حدود نیمی از کربن کاپ است. مخلوط کاتد داخل این استوانه آند قرار میگیرد و با جداکننده کاغذی از دیواره داخلی استوانه جدا میشود. فضای بین سطح داخلی کاپ کربن و سطح خارجی استوانه آند نیز با مخلوط کاتد پر میشود و در اینجا نیز سطح خارجی استوانه آند با جداکننده کاغذی از مخلوط کاتد جدا میشود. مخلوط کاتد با مخلوط کردن دیاکسید منگنز، سیاهکربن و مقدار کمی برمید مگنزیوم یا پرکلرات آبی به عنوان الکترولیت تولید میشود. ترمینال مثبت به انتهای کاپ کربن متصل میشود. ترمینال منفی به انتهای درام آند متصل میشود. کل سیستم در یک جکت فولادی رویآورده شده قرار میگیرد.
مزایای باتری مگنزیوم
دارای عمر خودکار بسیار خوبی است؛ میتواند برای مدت طولانی حتی در دماهای بالا ذخیره شود. این باتری میتواند تا ۵ سال در دمای ۲۰oC ذخیره شود.
ظرفیت دو برابری نسبت به باتری لکلانتش با اندازه مشابه دارد.
ولتاژ باتری بالاتر از باتری روی-کربن است.
هزینه نیز متوسط است.
نقایص باتری مگنزیوم
تأخیر در عملکرد (تأخیر ولتاژ).
تشکیل گاز هیدروژن در زمان تخلیه.
تولید گرما در زمان استفاده.
ذخیرهپذیری ضعیف پس از تخلیه جزئی.
باتریها دیگر به صورت تجاری تولید نمیشوند.
