Úvod
Lithium-iontové baterie (Li-ion) zůstávají dominantní technologií pro přenosné zařízení a elektrická vozidla díky své vysoké energetické hustotě a vyzrálému dodavatelskému řetězci. Naproti tomu jsou zinečité baterie velmi atraktivní z hlediska bezpečnosti, nákladů a udržitelnosti, ale stále čelí určitým praktickým omezením v oblasti energetické hustoty, životnosti a velkosériové výroby. Zda mohou nahradit lithium-iontové baterie, závisí hlavně na konkrétním použití: u zařízení vyžadujících dlouhou výdrž a vysokou energii budou lithium-iontové baterie krátkodobě výhodnější; zinečité baterie však mohou postupně získat pozici v oblastech s vysokými požadavky na bezpečnost, citlivostí na cenu nebo ve stacionárních systémech skladování energie.
Jaké jsou rozdíly mezi lithium-iontovými a zinečitými bateriemi?
Materiály a pracovní principy
Lithiové baterie ukládají energii přesunem lithiových iontů mezi kladnou a zápornou elektrodou, zatímco zinečité baterie používají zinek jako hlavní složku, včetně zinek-iontových baterií, zinek-vzduch baterií a zinek-manganových baterií. Celkově jsou zdroje zinku hojnější, náklady nižší a systém obecně bezpečnější.
Energetická hustota
Lithiové baterie mají vyšší hustotu energie, což je činí vhodnějšími pro aplikace s důrazem na dlouhou výdrž nebo miniaturizaci, jako jsou mobilní telefony a elektrická vozidla.
Zinečité baterie obecně mají nižší hustotu energie, ale vynikají nízkou cenou materiálů a hojnou dostupností surovin a neustále se vylepšují.
Bezpečnost
Hlavním bezpečnostním rizikem lithiových baterií je tepelný únik, který může v extrémních případech vést ke vznícení.
Zinečité systémy často používají vodné elektrolyty, které jsou principiálně méně hořlavé, a proto jsou obecně bezpečnější. Mohou však čelit novým výzvám, jako je růst dendritů.
Náklady a suroviny
Zinek je mnohem levnější než lithium a suroviny jsou snadněji dostupné. Ačkoli se může zdát, že „levnější materiály = levnější baterie“, skutečná cena úzce souvisí s faktory jako životnost, složitost výroby a výtěžnost.
Jednoduché srovnání chemických mechanismů
Lithium-iontové baterie: Spoléhají na lithiové ionty, které se "interkalují" do materiálu, ve spojení s vyzrálými katodovými materiály, jako jsou NMC a LFP, čímž dosahují vysoké hustoty energie.
Baterie na bázi zinku: Některé využívají pohyb zinečnatých iontů, jiné reakci se vzdušným kyslíkem (zinek-vzduch baterie). Reakční mechanismy různých systémů se velmi liší, což má za následek odlišný výkon a vhodnost pro různé aplikace.
Výkon energetické hustoty
Lithium-iontové baterie: Zůstávají „standardem“ pro většinu aplikací s vysokou energetickou náročností. Zinečité baterie: I když praktická hustota energie zatím není vysoká, výzkum a vývoj probíhají rychle. Například zinek-vzduch baterie teoreticky vykazují působivou hustotu energie, ale dobíjecí schopnost a výkon stále představují úzká hrdla.
Výkon životnosti
Lithium-iontové baterie mají vyzrálou životnost v cyklech, která se v různých systémech pohybuje od stovek do tisíců cyklů.
Životnost zinečitých baterií závisí více na samotném systému a technologiích, jako je potlačení dendritů; stále dohání konkurenci, ale jsou patrné významné pokroky.
Výkon a výdrž
Lithium-iontové baterie mají jasné výhody při vybíjení s vysokým proudem a rychlém nabíjení, což je činí preferovanou volbou pro mnoho vysokovýkonnostních aplikací.
Zinečité baterie však v některých systémech (zejména u zinek-vzduch) trpí nedostatečným výkonem při vysokém proudu, i když se výkon zinek-iontových baterií zlepšuje.
Materiální náklady
Surovinové náklady na zinek jsou výrazně nižší než u lithia a dodavatelský řetězec je mnohem jednodušší.
Při výpočtu „celkových nákladů na použití baterie“ však komplikují faktory jako životnost, výrobní metody a stabilita.
Bezpečnost
Lithium-iontové baterie jsou náchylné k tepelnému úniku při vzniku problémů, což činí bezpečnost stálým prvkem zájmu průmyslu.
Zinkové systémy jsou chemicky zásadně „mírnější“, zejména vodné systémy, které jsou v podstatě nehořlavé, a proto nabízejí významnou výhodu z hlediska bezpečnosti. Inženýrský návrh však stále zůstává klíčový.
Vliv na životní prostředí
Zdroje zinku jsou hojné a snadno recyklovatelné, což vede k relativně menšímu environmentálnímu zatížení; recyklace lithium-iontových baterií naopak vyžaduje větší úsilí a zahrnuje geopolitické faktory související s těžbou surovin jako je lith a kobalt.
Samozřejmě, bez ohledu na typ baterie, ovlivní celkový ekologický výkon množství energie spotřebované v procesu výroby a způsob likvidace baterií po ukončení jejich životnosti.
Nejnovější vývoj zinkových baterií
Zinkovzdušné baterie
Výhody: Vysoká teoretická hustota energie, nízké náklady, ekologické; vhodné pro skladování energie a další aplikace vyžadující „vysokou energii + nízký výkon“.
Výzvy: Dobíjecí schopnost, životnost cyklu a účinnost reakce s kyslíkem zůstávají klíčovými technologickými výzvami.
Zinkové iontové baterie (ZIB)
Momentálně nejperspektivnější zinková technologie pro masovou výrobu: bezpečná, říditelné náklady, stále se zlepšující hustota energie a životnost, očekává se další rozšíření budoucích aplikací.
Zinkomanganové baterie (Zn-MnO₂)
Tyto baterie jsou levné a bezpečné, ale potřebují další průlomy v oblasti životnosti cyklu a hustoty energie.
Zinek- Uhlíkové baterie
Běžně používané v jednorázových, levných aplikacích, jejich postavení je poměrně jasné a není pravděpodobné, že by nahradily moderní lithiové baterie.
Shrnutí: Konkurence nebo doplňkovost?
Pro aplikace, jako jsou mobilní telefony a elektrická vozidla, které vyžadují vysoký výkon i dlouhý dojezd, zůstanou lithiové baterie v následujících několika letech nejspolehlivějším a nejzralým řešením.
Zinekem-based baterie mají výhody z hlediska bezpečnosti, nákladů a šetrnosti k přírodním zdrojům. Jejich výkon se neustále zlepšuje, takže budou čím dál výraznější v některých oblastech použití – zejména u stacionárních systémů skladování energie, regulace sítě a zařízení, kde má bezpečnost přednost.
Z hlediska trendů je „úplné nahrazení lithiových baterií“ v krátkodobém horizontu nereálné, ale „používání baterií společně a vzájemně se doplňující“ je rozumnější vývojovou cestou. Budoucí trh pravděpodobněji přinese současné fungování více systémů, z nichž každý využije své silné stránky, nikoli situaci, kdy by jeden typ baterie „dominoval trhu“.
Popis: Zinečité vzduchové baterie nabízejí výrazné výhody v oblasti nákladů, bezpečnosti a udržitelnosti, ale jejich omezení co do energetické hustoty, možnosti dobíjení a životnosti jim v blízké budoucnosti brání v nahrazení lithiových iontových baterií. Spíše než je nahradit, budou pravděpodobně doplňovat lithiové iontové baterie, zejména v oblasti stacionárních úložných zařízení a aplikacích s vysokými požadavky na bezpečnost.
EN
