Le batterie allo zinco-aria possono sostituire quelle agli ioni di litio?

Introduzione

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) rimangono la tecnologia dominante per dispositivi portatili e veicoli elettrici grazie alla loro elevata densità energetica e catena di approvvigionamento matura. Al contrario, le batterie a base di zinco sono particolarmente interessanti in termini di sicurezza, costo e sostenibilità, ma presentano ancora alcune limitazioni pratiche relative alla densità energetica, alla durata e alla produzione su larga scala. La possibilità che possano sostituire le batterie al litio dipende principalmente dallo scenario applicativo: per dispositivi che richiedono lunga autonomia ed elevata energia, le batterie al litio rimarranno più vantaggiose nel breve termine; mentre le batterie allo zinco potrebbero gradualmente conquistare spazio in settori con elevate esigenze di sicurezza, sensibilità ai costi o nell'accumulo stazionario di energia.

Quali sono le differenze tra batterie al litio e batterie allo zinco?

Materiali e principi di funzionamento

Le batterie al litio immagazzinano energia spostando ioni di litio tra gli elettrodi positivo e negativo, mentre le batterie a base di zinco utilizzano lo zinco come "protagonista", includendo batterie allo zinco-ione, batterie allo zinco-aria e batterie allo zinco-manganese. Nel complesso, le risorse di zinco sono più abbondanti, il costo è inferiore e il sistema è generalmente più sicuro.

Densità energetica

Le batterie al litio hanno una densità energetica più elevata, rendendole più adatte per scenari che privilegiano lunga durata della batteria o miniaturizzazione, come nei telefoni cellulari e nei veicoli elettrici.
Le batterie a base di zinco hanno generalmente una densità energetica inferiore, ma si distinguono per i bassi costi dei materiali e l'abbondanza delle risorse, e vengono continuamente migliorate.

Sicurezza

Il principale problema di sicurezza delle batterie al litio è il runaway termico, che in casi estremi può portare a incendi.
I sistemi a base di zinco spesso utilizzano elettroliti acquosi, intrinsecamente meno infiammabili, risultando generalmente più sicuri. Tuttavia, possono presentare nuove sfide come la crescita di dendriti.

Costo e Risorse

Lo zinco è molto più economico del litio e le risorse sono più facilmente disponibili. Anche se potrebbe sembrare che "materiali più economici = batterie più economiche", il costo effettivo è strettamente legato a fattori come durata, complessità di produzione e resa.

Confronto semplice dei meccanismi chimici

Batterie agli ioni di litio: si basano sugli ioni di litio che "intercalano" all'interno del materiale, combinati con materiali catodici maturi come NMC e LFP, per ottenere un'alta densità energetica.
Batterie a base di zinco: alcune utilizzano il movimento di ioni di zinco, mentre altre si basano sulla reazione con l'ossigeno presente nell'aria (batterie zinco-aria). I meccanismi di reazione di sistemi diversi variano notevolmente, portando a prestazioni diverse e scenari applicativi differenti.

Prestazioni della densità energetica

Batterie agli ioni di litio: rimangono il "riferimento" per la maggior parte delle applicazioni ad alta energia. Batterie al zinco: sebbene la densità energetica pratica non sia ancora elevata, la ricerca e lo sviluppo sono rapidi. Ad esempio, le batterie zinco-aria hanno teoricamente una densità energetica impressionante, ma la ricaricabilità e l'erogazione di potenza restano degli ostacoli.

Prestazioni della durata

Le batterie agli ioni di litio hanno un ciclo di vita maturo, che varia da centinaia a migliaia di cicli a seconda dei sistemi.
La durata delle batterie al zinco dipende maggiormente dal sistema stesso e da tecnologie come la soppressione dei dendriti; sono ancora in fase di recupero, ma si registrano progressi significativi.

Prestazioni di potenza

Le batterie agli ioni di litio presentano chiari vantaggi in termini di scarica ad alto regime e ricarica rapida, rendendole la scelta preferita per molte applicazioni ad alte prestazioni.
Le batterie al zinco, tuttavia, incontrano prestazioni insufficienti a corrente elevata in alcuni sistemi (soprattutto zinco-aria), anche se le prestazioni delle batterie zinco-ione stanno migliorando.

Costi materiali

Il costo della materia prima dello zinco è significativamente inferiore rispetto a quello del litio, e la catena di approvvigionamento è molto più semplice.
Tuttavia, nel calcolo del "costo totale di utilizzo della batteria", fattori come la durata, i metodi di produzione e la stabilità complicano il quadro.

Sicurezza

Le batterie agli ioni di litio sono soggette a runaway termico in caso di problemi, rendendo la sicurezza un aspetto costantemente prioritario per il settore.
I sistemi a base di zinco sono chimicamente intrinsecamente più "miti", specialmente quelli acquosi che sono essenzialmente non infiammabili, offrendo così un significativo vantaggio in termini di sicurezza. Tuttavia, il design ingegneristico rimane cruciale.

Impatto ambientale

Le risorse di zinco sono abbondanti e facili da riciclare, con una pressione ambientale relativamente ridotta; il riciclo delle batterie al litio, invece, richiede maggiore impegno e coinvolge fattori geopolitici legati a risorse come litio e cobalto.
Ovviamente, indipendentemente dal tipo di batteria, la quantità di energia utilizzata nel processo produttivo e il modo in cui vengono smaltite le batterie a fine vita influiranno sulle prestazioni ambientali complessive.

Sviluppi recenti nelle batterie a base di zinco

Batterie allo zinco-aria

Vantaggi: alta densità energetica teorica, basso costo, rispettose dell'ambiente; adatte per lo stoccaggio di energia e altre applicazioni che richiedono "alta energia + bassa potenza".
Sfide: ricaricabilità, durata del ciclo e efficienza della reazione con l'aria rimangono le principali sfide tecnologiche.

Batterie allo ione zinco (ZIB)

Attualmente la tecnologia a base di zinco con le maggiori probabilità di produzione su larga scala: sicura, con costi controllabili, densità energetica e durata in costante miglioramento, e si prevede che le sue applicazioni future continueranno ad espandersi.

Batterie zinco-manganese (Zn-MnO₂)

Queste batterie sono economiche e sicure, ma sono necessari ulteriori progressi in termini di durata del ciclo e densità energetica.

Zinco- Batterie al carbonio

Comunemente utilizzate in applicazioni monouso a basso costo, la loro posizione è relativamente chiara e non è probabile che sostituiscano le moderne batterie al litio.

Riepilogo: Concorrenza o complementarità?

Per applicazioni come telefoni cellulari e veicoli elettrici che richiedono sia alta potenza sia lunga autonomia, le batterie al litio rimarranno la soluzione più affidabile e matura per i prossimi anni.

Le batterie a base di zinco offrono vantaggi in termini di sicurezza, costo ed ecocompatibilità delle risorse. Le loro prestazioni migliorano costantemente, quindi diventeranno sempre più rilevanti in alcuni ambiti applicativi, in particolare nello stoccaggio energetico stazionario, nella regolazione della rete e nei dispositivi dove la sicurezza è prioritaria.

Da un punto di vista di tendenza, "sostituire completamente le batterie al litio" non è realistico a breve termine, ma "utilizzarle affiancate e in modo complementare" rappresenta un percorso di sviluppo più ragionevole. È più probabile che nel futuro mercato coesistano più sistemi, ognuno sfruttando i propri punti di forza, piuttosto che un unico tipo di batteria a "dominare il mercato".

Descrizione: Le batterie a zinco-aria offrono notevoli vantaggi in termini di costo, sicurezza e sostenibilità, ma le loro limitazioni in densità energetica, ricaricabilità e durata ne impediscono la sostituzione delle batterie agli ioni di litio nel breve termine. Piuttosto, è probabile che le integrino, in particolare nei sistemi di accumulo stazionari e nelle applicazioni dove la sicurezza è una priorità.