Kas tsink-õhu akud saavad asendada liitiumioonakud?

Esitus

Liitiumioonakud (Li-ion) säilitavad domineeriva tehnoloogia staatuse kõrge energia tiheduse ja küpsa tarneketi tõttu mobiilsete seadmete ja elektriautode puhul. Teisalt on tsink-põhised akud väga atraktiivsed ohutuse, maksumuse ja jätkusuutlikkuse seisukohalt, kuid neil on endiselt praktilisi piiranguid energiatiheduses, elueas ja suuremahulis tootmises. Selle, kas nad saavad asendada liitiumakusid, määrab peamiselt rakendusscenaarium: seadmete puhul, kus nõutakse pika tööiga ja kõrget energiat, jäävad liitiumakud lähiajal eelistatumaks; samas võivad tsinkakud järk-järgult kinnistuda turul, kus on kõrge ohutusnõue, maksumustundlikkus või kasutatakse staatilist energiasalvestust.

Millised on erinevused liitiumakude ja tsinkakude vahel?

Materjalid ja tööprintsiibid

Liitiumakud salvestavad energiat, liigutades liitiumioone positiivse ja negatiivse elektroodi vahel, samas kui tsinkpõhised akud kasutavad tsinki „peatäheena“, sealhulgas tsink-ioonakud, tsink-õhu akud ja tsink-mangani akud. Üldiselt on tsinkvarud rohkem saadaval, nende hind on madalam ja süsteem on tugevasti ohutum.

Energiatihedus

Liitiumakudel on kõrgem energiatihedus, mistõttu sobivad need paremini pika tööiga või miniatuursete seadmete jaoks mõeldud rakendustesse, näiteks mobiiltelefonidesse ja elektriautodesse.
Tsinkpõhiste akude energiatihedus on tavaliselt madalam, kuid neid iseloomustavad madalamad materjalikulud ja rikkalikud varud, ning nende omadusi täiustatakse pidevalt.

Turvalisus

Liitiumakkude põhiprobleemiks ohutuse seisukohalt on soojusläbipõrge, mis äärmuslike juhtude korral võib põlemiseni viia.
Tsinkpõhised süsteemid kasutavad sageli vesielende, mis on põliselt vähem süttivad, mistõttu on nende ohutus tugevasti parem. Siiski võivad neil tekkida uued probleemid, näiteks hargneva kristallkasvu (dendriidide) tekke oht.

Kulu ja varud

Tsink on palju odavam kui liitium, ja selle varud on rohkem saadaval. Kuigi võib tunduda, et „odavamad materjalid = odavamad akud“, tegelik hind sõltub tihedalt sellistest teguritest nagu eluiga, tootmise keerukus ja saagis.

Lihtne keemiliste mehhanismide võrdlus

Liitiumioonakud: kasutavad liitiumioonide "interkalatsiooni" materjalis, koos küpsete katoodmaterjalidega nagu NMC ja LFP, et saavutada kõrge energiatihedus.
Tsink-põhised akud: mõned kasutavad tsinkioonide liikumist, teised aga reageerivad õhu hapnikuga (tsink-õhu akud). Erinevate süsteemide reaktsioonimehhanismid erinevad suuresti, mis viib erineva jõudluse ja rakendusalade juurde.

Energia tiheduse jõudlus

Liitiumioonakud: Jäävad enamus kõrge energiasisaldusega rakenduste puhul "standardiks". Tsink-põhised akud: kuigi praktiline energiatihedus pole veel kõrge, on uurimis- ja arendustöö kiirelt arenev. Näiteks on tsink-õhu akude teoreetiline energiatihedus muljetavaldav, kuid taasklaarimine ja võimsus väljund on endiselt kitsaskohtadeks.

Eluea jõudlus

Liitiumioonakudel on küps tsükkelugu, mis erinevates süsteemides ulatub paarist sajast kuni tuhandeni tsüklit.
Tsink-põhiste akude eluiga sõltub rohkem süsteemist endast ja tehnoloogiatest, nagu okasvee (dendriidi) supressioon; need jäävad endiselt maha, kuid oluline edasiminek on ilmne.

Võimsuse jõudlus

Liitiumioonakudel on selged eelised kõrgetel voolutugevustel laadimisel ja kiirlaadimisel, mistõttu on nad paljude kõrge jõudlusega rakenduste eelistatud valik.
Tsink-põhised akud aga kohtavad mõnede süsteemide puhul (eriti tsink-õhu) piisava kõrge voolutugevuse puudumist, kuigi tsink-ioonakude jõudlus paraneb.

Materiaalkulud

Tsingi tooraine maksumus on oluliselt madalam kui liitiumi oma, ja tarnimisahel on palju lihtsam.
Siiski muudavad tegurid nagu eluea, valmistamise meetodid ja stabiilsus olukorra keeruliseks, kui arvutatakse "akude kasutamise kogumaksumust".

Turvalisus

Liitiumioonakud on probleemide tekkimisel kalduvad soojusläbikipumisele, mistõttu on turvalisus jätkuvalt tööstuse keskmes.
Tsingipõhised süsteemid on keemiliselt olemuselt "määramult rahulikumad", eriti vesilahussüsteemid, mis on tegelikult mittesüttivad, pakkudes seega olulist turvalisuse eelist. Siiski on inseneriloomine endiselt väga oluline.

Keskkonnamõju

Tsingiressursid on rohked ja neid on lihtne ringlusesse viia, mistõttu on nendega seotud suhteliselt vähem keskkonnakoormust; liitiumakude ringlusseviimine nõuab aga rohkem vaeva ning on seotud geopoliitiliste teguritega, nagu liitiumi ja kobalti varud.
Muidugi, sõltumata aku tüübist, tootmisprotsessis kasutatud energiahulk ja vana akude käitlemine mõjutavad üldist keskkonnasõbralikkust.

Hägine põhise akute tehnoloogia hilisemad arengud

Tsinki-õhu akud

Eelised: Kõrge teoreetiline energiatihedus, madal hind, keskkonnasõbralik; sobiv energiakogumisse ja muudesse rakendustesse, kus nõutakse „kõrget energiat + madalat võimsust“.
Väljakutsed: Laetavus, tsükliiga ja õhureaktsiooni tõhusus on endiselt olulised tehnoloogilised takistused.

Tsink-ioonakud (ZIB)

Praegu on see tsingipõhine tehnoloogia, millel on parimad võimalused suuremahuliseks tootmiseks: ohutu, kuluhaldusega, energia tiheduse ja eluea järkjärgulise parandamisega ning oodatakse, et selle tulevased rakendused jätkuvalt laienevad.

Tsinki-mangani akud (Zn-MnO₂)

Need akud on odavad ja ohutud, kuid tsükliigale ja energiatihedusele on vaja veel edusamme.

Tsinki- Süsinikakumid

Neid kasutatakse tavaliselt ühekordselt ja madalama hinnaga rakendustes, nende positsioneerimine on suhteliselt selge ning need ei tõenäoliselt asenda kaasaegseid liitiumakusid.

Kokkuvõte: konkurents või täiendavus?

Mobiiltelefonide ja elektriautode puhul, kus nõutakse nii suurt võimsust kui ka pikaugust, jäävad liitiumakud järgmiseks mitmeks aastaks kõige usaldusväärsemaks ja küpsenud lahenduseks.

Tsink-põhiste akude eelised seisnevad ohutuses, maksumuses ja ressurssidesõbralikkuses. Nende toime paraneb pidevalt, seetõttu saavad nad aina suurema tähenduse eraldi rakendusaladel – eriti staatilises energiasalvestuses, võrgu reguleerimises ja ohutusele prioriteeti andmistes seadmetes.

Trendipõhiselt on „täielikult asendada liitiumakud“ lühiajaliselt ebareaalne, kuid „kasutada neid kõrvalkõrvale ja täiendavalt“ on mõistlikum arengutee. Tulevikus on tõenäolisem, et turul koeks mitu süsteemi, kasutades igaüks oma tugevusi, mitte ühe tüüpi aku „domineerimine turul“.

Kirjeldus: Tsink-õhu akud pakuvad suuri eeliseid hinnas, ohutuses ja jätkusuutlikkuses, kuid nende piirangud energiatiheduses, laaditavuses ja elueas takistavad nende kasutamist liitiumioonide asendajana lähiajal. Pigem on tõenäoline, et need täiendavad liitiumioone, eriti staatilises salvestuses ja ohutusele keskendunud rakendustes.