هل يمكن لبطاريات الزنك-الهواء أن تحل محل بطاريات الليثيوم-أيون؟

مقدمة

تظل بطاريات الليثيوم-أيون التكنولوجيا السائدة في الأجهزة المحمولة والمركبات الكهربائية نظرًا لكثافتها العالية للطاقة وسلسلة التوريد الناضجة. على النقيض، فإن البطاريات القائمة على الزنك جذابة للغاية من حيث السلامة والتكلفة والاستدامة، لكنها لا تزال تواجه بعض القيود العملية من حيث كثافة الطاقة وعمر التشغيل والإنتاج على نطاق واسع. ويُعتمد ما إذا كانت هذه البطاريات قادرة على استبدال بطاريات الليثيوم أم لا بشكل رئيسي على سيناريو التطبيق: بالنسبة للأجهزة التي تتطلب عمر بطارية طويل وطاقة عالية، ستظل بطاريات الليثيوم أكثر تفوقًا على المدى القصير؛ في حين قد تكتسب بطاريات الزنك تدريجيًا مكانة في المجالات التي تتطلب درجات عالية من السلامة أو الحساسة للتكلفة أو في تخزين الطاقة الثابت.

ما الفروقات بين بطاريات الليثيوم وبطاريات الزنك؟

المواد ومبدأ العمل

تخزن بطاريات الليثيوم الطاقة من خلال تحريك أيونات الليثيوم بين الأقطاب الموجبة والسالبة، في حين تستخدم بطاريات الزنك الزنك كعنصر رئيسي، وتشمل بطاريات الزنك-أيون، وبطاريات الزنك-الهواء، وبطاريات الزنك-منغنيز. بشكل عام، تكون موارد الزنك أكثر وفرة، وتكاليفها أقل، والنظام عادةً أكثر أماناً.

كثافة الطاقة

تتمتع بطاريات الليثيوم بكثافة طاقة أعلى، مما يجعلها أكثر ملاءمة للحالات التي تعطي أولوية للعمر الطويل للبطارية أو التصغير، مثل الهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية.
عادةً ما تكون كثافة الطاقة في بطاريات الزنك أقل، لكنها تتفوق من حيث تكلفة المواد المنخفضة والموارد الوفيرة، وهي قيد التحسين المستمر.

السلامة

القلق الرئيسي بشأن سلامة بطاريات الليثيوم هو الانطلاق الحراري، الذي قد يؤدي إلى اشتعال النار في الحالات القصوى.
غالبًا ما تستخدم أنظمة الزنك إلكتروليتات مائية، والتي تكون بطبيعتها أقل قابلية للاشتعال، مما يؤدي إلى درجة أفضل عموماً من السلامة. ومع ذلك، قد تواجه تحديات جديدة مثل نمو الشوائب الشجرية (Dendrite growth).

التكلفة والموارد

الزنك أرخص بكثير من الليثيوم، والموارد متوفرة بشكل أكبر. وعلى الرغم من أن الأمر قد يبدو أن "المواد الأرخص = بطاريات أرخص"، فإن التكلفة الفعلية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بعوامل مثل العمر الافتراضي وتعقيد الإنتاج ونسبة العائد.

مقارنة بسيطة بين الآليات الكيميائية

البطاريات الليثيوم-أيون: تعتمد على أيونات الليثيوم التي تدخل ضمن المادة، بالتزامن مع مواد كاثود ناضجة مثل NMC وLFP، لتحقيق كثافة طاقة عالية.
البطاريات القائمة على الزنك: بعضها يستخدم حركة أيونات الزنك، في حين يعتمد البعض الآخر على التفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء (بطاريات الزنك-الهواء). تختلف آليات التفاعل في الأنظمة المختلفة بشكل كبير، مما يؤدي إلى أداء مختلف وحالات استخدام مناسبة مختلفة.

أداء كثافة الطاقة

بطاريات الليثيوم أيون: تظل هي الخيار المهيمن في معظم التطبيقات عالية الطاقة. بطاريات الزنك القائمة: على الرغم من أن الكثافة الطاقية العملية ليست عالية بعد، فإن الأبحاث والتطوير جارية بوتيرة سريعة. على سبيل المثال، تمتلك بطاريات الزنك-الهواء كثافة طاقية نظرية ممتازة، لكن قابلية إعادة الشحن وإخراج القدرة لا تزال عقبات رئيسية.

أداء العمر الافتراضي

تمتلك بطاريات الليثيوم أيون عمر دورة ناضج، يتراوح بين مئات إلى آلاف الدورات عبر الأنظمة المختلفة.
يعتمد عمر بطاريات الزنك القائمة أكثر على النظام نفسه وتقنيات مثل قمع التفرعات الشجرية؛ وهي ما زالت في طور اللحاق، لكن التقدم الكبير واضح.

أداء الطاقة

تمتلك بطاريات الليثيوم أيون مزايا واضحة في التفريغ عالي المعدل والشحن السريع، مما يجعلها الخيار المفضل للعديد من التطبيقات عالية الأداء.
تواجه بطاريات الزنك القائمة، مع ذلك، أداءً غير كافٍ عند التيارات العالية في بعض الأنظمة (وخاصة بطاريات الزنك-الهواء)، على الرغم من تحسن أداء بطاريات الزنك-أيون.

تكاليف المواد

تكلفة المواد الخام للزنك أقل بشكل كبير من تكلفة الليثيوم، كما أن سلسلة التوريد أبسط بكثير.
ومع ذلك، عند حساب "التكلفة الإجمالية لاستخدام البطارية"، فإن عوامل مثل العمر الافتراضي وطرق التصنيع والاستقرار تُعقّد الأمور.

السلامة

تُعد بطاريات الليثيوم أيون عرضة للانطلاق الحراري عندما تحدث مشكلات، مما يجعل السلامة محط تركيز مستمر في الصناعة.
الأنظمة القائمة على الزنك أكثر اعتدالًا كيميائيًا بطبيعتها، وخاصة الأنظمة المائية التي تكون عمليًا غير قابلة للاشتعال، وبالتالي فهي توفر ميزة كبيرة من حيث السلامة. ومع ذلك، يظل التصميم الهندسي أمرًا بالغ الأهمية.

الأثر البيئي

الموارد الزنكية وفيرة وسهلة إعادة التدوير، مما يؤدي إلى ضغط بيئي نسبيًا أقل؛ أما إعادة تدوير بطاريات الليثيوم فتتطلب جهدًا أكبر وتشمل عوامل جيوسياسية مرتبطة بموارد مثل الليثيوم والكوبالت.
بالطبع، بغض النظر عن نوع البطارية، فإن كمية الطاقة المستخدمة في عملية الإنتاج وطريقة التخلص من البطاريات في نهاية عمرها الافتراضي ستؤثر على الأداء البيئي الكلي.

التطورات الحديثة في البطاريات القائمة على الزنك

البطاريات الهوائية الزنكية

المزايا: كثافة طاقة نظرية عالية، تكلفة منخفضة، صديقة للبيئة؛ ومناسبة لتخزين الطاقة والتطبيقات الأخرى التي تتطلب "عالية الطاقة + منخفضة القدرة".
التحديات: إمكانية إعادة الشحن، وعمر الدورة، وكفاءة التفاعل مع الهواء لا تزال تمثل تحديات تقنية رئيسية.

البطاريات الأيونية الزنكية (ZIB)

حاليًا التكنولوجيا القائمة على الزنك التي تمتلك أفضل فرصة للإنتاج الواسع النطاق: آمنة، وقابلة للتحكم في التكلفة، مع تحسن مستمر في كثافة الطاقة والعمر الافتراضي، ومن المتوقع أن تتوسع تطبيقاتها المستقبلية باستمرار.

البطاريات الزنكية-المنغنيزية (Zn-MnO₂)

هذه البطاريات رخيصة وآمنة، ولكنها تحتاج إلى مزيد من الاختراقات في عمر الدورة وكثافة الطاقة.

الزنك- البطاريات الكربونية

تُستخدم عادةً في التطبيقات ذات الاستهلاك الواحد والتكلفة المنخفضة، ويكون موقعها نسبيًا واضحًا، ومن غير المرجح أن تحل محل البطاريات الليثيومية الحديثة.

ملخص: منافسة أم تكامل؟

بالنسبة للتطبيقات مثل الهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية التي تتطلب طاقة عالية ومدى طويلًا، ستظل البطاريات الليثيومية الحل الأكثر موثوقية ونضجًا خلال السنوات القليلة القادمة.

تمتلك البطاريات القائمة على الزنك مزايا من حيث السلامة والتكلفة وصداقة الموارد. وتتحسن أداؤها باستمرار، وبالتالي ستصبح أكثر بروزًا بشكل متزايد في بعض مجالات التطبيق — خاصةً تخزين الطاقة الثابت، وتنظيم الشبكة، والأجهزة ذات الأولوية العالية في السلامة.

من منظور الاتجاهات، فإن "استبدال بطاريات الليثيوم تمامًا" أمر غير واقعي على المدى القصير، لكن "استخدامها جنبًا إلى جنب وتكميل بعضها البعض" يُعد مسارًا تطوريًا أكثر معقولية. ومن المرجح أن يشهد السوق في المستقبل تعايش أنظمة متعددة، تستفيد كل منها من نقاط قوتها، بدلاً من هيمنة نوع واحد من البطاريات على السوق.

الوصف: تتمتّع بطاريات الزنك-الهواء بمزايا قوية من حيث التكلفة والسلامة والاستدامة، لكن تقيّدها من حيث الكثافة الطاقية وإمكانية إعادة الشحن وطول العمر تمنعها من استبدال بطاريات الليثيوم أيون في الأمد القريب. بل من المرجّح أن تُستخدم كمكملة لبطاريات الليثيوم أيون، خاصة في تطبيقات التخزين الثابتة والتطبيقات التي تركز على السلامة.