Voivatko sinkki-ilma-akut korvata litiumioniakut?

Johdanto

Litium-ioniakkujen (Li-ion) asema on edelleen vahva kannettavissa laitteissa ja sähköajoneuvoissa niiden korkean energiatiheyden ja kypsyn toimitusketjun vuoksi. Sen sijaan sinkkipohjaiset akut ovat erittäin houkuttelevia turvallisuuden, hinta-laatusuhteen ja kestävyyden kannalta, mutta niillä on edelleen käytännön rajoituksia energiatiheydessä, käyttöiässä ja teollisessa valmistuksessa. Se, voivatko ne korvata litiumakut, riippuu pääasiassa sovelluskohdasta: pitkän käyttöajan ja korkean energiatiheyden vaativissa laitteissa litiumakut säilyttävät lyhyellä tähtäimellä etunsa; kun taas sinkkiakut voivat vähitellen vakiinnuttaa asemansa turvallisuudella, kustannustehokkuudella tai staattisessa energianvarastoinnissa.

Mikä eroa on litiumakulla ja sinkkiakulla?

Materiaalit ja toimintaperiaatteet

Litiumakut varastoivat energiaa siirtämällä litiumioneja positiivisen ja negatiivisen elektrodin välillä, kun taas sinkkipohjaisissa akkuissa sinkki toimii pääosassa, mukaan lukien sinkki-ioniakut, sinkki-ilma-akut ja sinkki-mangaani-akut. Yleisesti ottaen sinkkiresurssit ovat runsaammat, kustannukset alhaisemmat ja järjestelmä yleensä turvallisempi.

Energiatiheys

Litiumakulla on korkeampi energiatiheys, mikä tekee siitä sopivamman ratkaisun tilanteisiin, joissa korostuu pitkä käyttöaika tai miniatyrisointi, kuten matkapuhelimissa ja sähköajoneuvoissa.
Sinkkipohjaisilla akkuilla on yleensä alhaisempi energiatiheys, mutta niissä hyvät puolet ovat matalat materiaalikustannukset ja runsaat resurssit, ja niiden kehitystä jatketaan koko ajan.

Turvallisuus

Litiumakkujen tärkein turvallisuusriski on lämpöläpimeno, joka voi ääritapauksissa johtaa tulipaloon.
Sinkkipohjaisissa järjestelmissä käytetään usein vesipohjaisia elektrolyyttejä, jotka ovat perimmiltään vähemmän syttyviä, mikä johtaa yleisesti parempaan turvallisuuteen. Ne voivat kuitenkin kohtailla uusia haasteita, kuten sientenkaltaisen kasvun (dendriittikasvu).

Kustannukset ja resurssit

Sinkki on paljon halvempaa kuin litium, ja sen raaka-aineet ovat helpommin saatavilla. Vaikka voisi vaikuttaa siltä, että "halvemmat materiaalit = halvemmat akut", todellinen hinta liittyy tiiviisti tekijöihin, kuten käyttöikään, tuotannon monimutkaisuuteen ja saantiin.

Yksinkertainen vertailu kemiallisista mekanismeista

Litiumioniakut: Perustuvat litiumionien "intokalvointiin" materiaalin sisällä yhdessä kypsymisvalmiiden katodimateriaalien, kuten NMC:n ja LFP:n, kanssa saavuttaakseen korkean energiatiheyden.
Sinkkipohjaiset akut: Jotkut käyttävät sinkki-ionien liikettä, kun taas toiset perustuvat reaktioon ilman hapen kanssa (sinkki-ilma-akut). Eri järjestelmien reaktiomekanismit vaihtelevat suuresti, mikä johtaa erilaiseen suorituskykyyn ja soveltuvuuteen eri käyttökohteisiin.

Energiatiheyden suorituskyky

Litiumioniakut: Pysyvät useimpien suuritehoisten sovellusten "kattoina". Sinkkipohjaiset akut: Vaikka käytännön energiatiheys ei ole vielä korkea, tutkimus ja kehitys etenevät nopeasti. Esimerkiksi sinkki-ilma-akut teoreettisesti omaavat vaikuttavan energiatiheyden, mutta uudelleenladattavuus ja tehontuotto ovat edelleen pullonkauloja.

Elinkaaritehokkuus

Litiumioniakuilla on kypsä syklimäärä, joka vaihtelee eri järjestelmissä sadasta tuhansiin sykleihin.
Sinkkipohjaisten akkujen elinkaari riippuu enemmän itse järjestelmästä ja teknologioista, kuten piikkien estämisestä; ne ovat edelleen kiinni, mutta huomattavaa edistystä on nähtävissä.

Vahva suorituskyky

Litiumioniakuilla on selkeät edut suurvirratason purkauksessa ja nopeakäynnistyksessä, mikä tekee niistä suositun valinnan monissa suorituskykysovelluksissa.
Sinkkipohjaiset akut kohtaavat kuitenkin riittämättömän suurvirrantoimituksen joissain järjestelmissä (erityisesti sinkki-ilma-akut), vaikka sinkki-ionien akkujen suorituskyky paraneekin.

Materiaalikulut

Sinkin raaka-ainekustannukset ovat merkittävästi alhaisemmat kuin litiumin, ja toimitusketju on paljon yksinkertaisempi.
Kuitenkaan akun 'kokonaiskäyttökustannusten' laskennassa elinkaari, valmistusmenetelmät ja stabiilius vaikeuttavat tilannetta.

Turvallisuus

Litiumioniakkujen ongelmien sattuessa ne ovat alttiita termiselle läpikäynnille, mikä tekee turvallisuudesta jatkuvan alan painopisteen.
Sinkkipohjaiset järjestelmät ovat luonteeltaan kemiallisesti "maltillisempia", erityisesti vesipohjaiset järjestelmät, jotka ovat käytännössä syttymättömiä, ja tarjoavat näin merkittävän turvallisuusedun. Kuitenkin suunnittelutyö on edelleen ratkaisevan tärkeää.

Ympäristövaikutus

Sinkkivarat ovat runsaasti saatavilla ja niiden kierrätys on helppoa, mikä aiheuttaa suhteellisen vähemmän ympäristökuormitusta; litiumakkujen kierrätykseen puolestaan tarvitaan enemmän panostusta ja se liittyy geopoliittisiin tekijöihin, kuten litium- ja kobolttiresursseihin.
Totta kai, riippumatta akkutyypistä, tuotantoprosessissa käytetty energiamäärä ja käytöstä poistettujen akkujen hävitystapa vaikuttavat yleiseen ympäristösuorituskykyyn.

Viimeaikaiset kehitykset sinkkipohjaisissa akkuissa

Sinkki-ilma-akut

Edut: Korkea teoreettinen energiatiheys, alhainen hinta, ympäristöystävällisyys; soveltuu energianvarastointiin ja muihin sovelluksiin, joissa tarvitaan "korkea energia + alhainen teho".
Haasteet: Uudelleenladattavuus, sykliseltä eliniältä ja ilman reaktiotehokkuus ovat edelleen keskeisiä teknologisia haasteita.

Sinkki-ioni-akut (ZIB)

Tällä hetkellä sinkkipohjainen tekniikka, jolla on parhaat mahdollisuudet laajamittaiseen tuotantoon: turvallinen, kustannuksiltaan hallittava, energiatiheyden ja käyttöiän jatkuvasti parantuessa, ja sen tulevia sovelluksia odotetaan laajenevan edelleen.

Sinkki-mangaani-akut (Zn-MnO₂)

Nämä akut ovat halpoja ja turvallisia, mutta kehitystä tarvitaan vielä käyttökertojen määrässä ja energiatiheydessä.

Sinkki- Hiiliparistot

Niitä käytetään yleisesti kertakäyttöisiin ja edullisiin sovelluksiin, niiden asema on suhteellisen selvä, eikä niiden odoteta korvaavan nykyaikaisia litiumparistoja.

Yhteenveto: Kilpailu vai täydentävyys?

Mobiilipuhelimien ja sähköautojen kaltaisiin sovelluksiin, joissa vaaditaan sekä suurta tehoa että pitkää kantamaa, litiumparistot säilyvät seuraavien vuosien ajan luotettavimpana ja kypsyneimpänä ratkaisuna.

Sinkkipohjaisilla paristoilla on etuja turvallisuudessa, kustannuksissa ja resurssiystävällisyydessä. Niiden suorituskyky paranee jatkuvasti, minkä vuoksi niistä tulee yhä merkittävämpiä tietyissä sovellusaloissa – erityisesti staattisessa energiavarastoinnissa, sähköverkon säätelyssä ja turvallisuudesta riippuvaisissa laitteissa.

Trendinäkökulmasta tarkasteltuna litiumakkujen "täydellinen korvaaminen" on lyhyellä tähtäimellä epärealistista, mutta niiden käyttö rinnakkain ja toisiaan täydentäen on järkevämpi kehityspolku. Tulevaisuuden markkinoilla todennäköisemmin nähdään useiden järjestelmien rinnakkaiselo, joissa hyödynnetään kunkin vahvuuksia, pikemminkin kuin yhden akkutyypin "hallitseva asema markkinoilla".

Kuvaus: Sinkkirikkoakut tarjoavat merkittäviä etuja kustannustehokkuudessa, turvallisuudessa ja kestävyydessä, mutta niiden energiatiheys, uudelleenladattavuus ja käyttöikä rajoittavat niiden kykyä korvata litiumioniakkuja lähipäivinä. Sen sijaan ne todennäköisesti täydentävät litiumioniakkujen käyttöä erityisesti staattisessa varastoinnissa ja turvallisuudesta huolehtivissa sovelluksissa.