Кіріспе
Литий-иондық батареялар (Li-ion) жоғары энергия тығыздығы мен жетілген жеткізіп беру тізбегіне байланысты тасымалданатын құрылғылар мен электр көліктері үшін негізгі технология болып табылады. Алайда, цинк негізіндегі батареялар қауіпсіздік, құны және тұрақтылық тұрғысынан өте тартымды, бірақ олар әлі де энергия тығыздығы, қызмет ету мерзімі және үлкен масштабта өндіру сияқты кейбір практикалық шектеулермен кездеседі. Олар литий батареяларын алмастыра алатыны немесе жоқ па, негізінен қолдану сценарийіне байланысты: ұзақ уақыт жұмыс істеуі мен жоғары энергия талап ететін құрылғылар үшін литех батареялары жақын мақсатта тиімді болып қала береді; ал цинк батареялары қауіпсіздік талаптары жоғары, құнына сезімтал немесе стационарлық энерго сақтау салаларында біртіндеп орын алуы мүмкін.
Литий батареялары мен цинк батареяларының айырмашылықтары қандай?
Материалдар мен жұмыс істеу принциптері
Литий батареялары энергияны оң және теріс электродтар арасында литий иондарын қозғалту арқылы сақтайды, ал мырыш негізіндегі батареялар «протагонист» ретінде мырышты пайдаланады, оған мырыш-ионды батареялар, мырыш-ауа және мырыш-марганец батареялары жатады. Жалпы алғанда, мырыш ресурстары молырақ, құны төменірек және жүйе әдетте қауіпсізірек.
Энергия қысқартуы
Литий батареяларының энергия тығыздығы жоғары, сондықтан ұзақ уақыт жұмыс істеуге немесе кішірейтуге басымдық берілетін мобильді телефондар мен электромобильдер сияқты жағдайлар үшін одан әрі қолайлы.
Мырыш негізіндегі батареялардың энергия тығыздығы әдетте төменірек, бірақ олар материалдардың төмен құны мен мол ресурстарда ерекшеленеді және үнемі жетілдірілуде.
Қауіпсіздік
Литий батареяларының негізгі қауіпсіздік мәселесі — жылулық дұрыспау жұмыс істеу, экстремалды жағдайларда бұл өртке әкелуі мүмкін.
Мырыш негізіндегі жүйелер жиі сулы электролиттерді пайдаланады, бұл табиғатынан от ауыртпайтын болып келеді және жалпы алғанда қауіпсіздікті жақсартады. Дегенмен, дендриттің өсуі сияқты жаңа қиындықтар туындауы мүмкін.
Құн мен ресурстар
Цинк литийге қарағанда әлдеқайда арзан, ал ресурстар одан әрі қолжетімді. «Арзан материалдар = арзан батареялар» болып көрінгенімен, нақты баға ұзақтығы, өндіру күрделілігі және шығым сияқты факторлармен тығыз байланысты.
Химиялық механизмдердің қарапайым салыстыруы
Литий-ионды аккумуляторлар: NMC және LFP сияқты жетілген катодты материалдармен қосылған, материал ішіндегі литий иондарының «интеркаляциясына» негізделеді және жоғары энергия тығыздығын қамтамасыз етеді.
Цинк негізіндегі аккумуляторлар: Кейбіреулері цинк иондарының қозғалуын пайдаланса, басқалары ауадағы оттегімен реакцияға түседі (цинк-ауа аккумуляторлары). Әртүрлі жүйелердің реакция механизмдері әлдеқайда өзгеше болып келеді, осылайша әртүрлі өнімділік пен қолданылу аясына әкеледі.
Энергия тығыздығының өнімділігі
Литий-иондық батареялар: Көпшілік жоғары энергиялық қолданбалар үшін "төбені" құрайды. Мырыш негізіндегі батареялар: Практикалық энергия тығыздығы әлі де жоғары емес, бірақ зерттеулер мен дамыту жылдам жүріп жатыр. Мысалы, мырыш-ауа батареялары теориялық түрде қатты энергия тығыздығына ие, бірақ қайта зарядталуы мен қуат шығысы әлі де тежеуші фактор болып табылады.
Қызмет ету мерзімінің өнімділігі
Литий-иондық батареялардың циклдық қызмет ету мерзімі жетілген, әртүрлі жүйелерде жүздеген немесе мыңдаған циклдар аралығында болады.
Мырыш негізіндегі батареялардың қызмет ету мерзімі жүйенің өзіне және дендриттерді басу сияқты технологияларға тәуелді; олар әлі де қуып жетіп жатыр, бірақ маңызды прогресс байқалады.
Қуатты іс-әрекет
Литий-иондық батареялар жоғары жылдамдықты разрядтау мен тез зарядтауда айқын артықшылықтарға ие, сондықтан көптеген жоғары өнімділікті қолданбалар үшін басым таңдау болып табылады.
Алайда, мырыш негізіндегі батареялар кейбір жүйелерде (әсіресе мырыш-ауа) жеткіліксіз жоғары токтық өнімділікпен кездеседі, мұның барынша мырыш-иондық батареялардың өнімділігі жақсарып келеді.
Материалдардың құны
Цинк үшін шикізаттың құны литийге қарағанда біршама төмен, ал жеткізу тізбегі әлдеқайда қарапайым.
Алайда, «батареяны пайдаланудың жалпы құнын» есептеген кезде қызмет ету мерзімі, өндіру әдістері және тұрақтылық сияқты факторлар мәселені күрделендіреді.
Қауіпсіздік
Литий-ионды батареяларда мәселер туындаған кезде жылулық дұрыс емес жұмыс істеу оңай болады, сондықтан қауіпсіздік әрқашан саланың негізгі назарында болып келеді.
Негізі цинкті жүйелер химиялық тұрғыдан әлдеқайда «жұмсақ», әсіресе судағы ерітінділер түрінде жанбайтын болып келеді, сондықтан олар қауіпсіздік жағынан айтарлықтай артықшылыққа ие. Алайда, инженерлік жобалау әлі де маңызды рөл атқарады.
Қоршаған ортаға әсер ету
Цинк ресурстары мол және қайта өңдеуге оңай, сондықтан экологиялық қысым салыстырмалы түрде аз; ал литий батареяларын қайта өңдеу көбірек күш-жігерді талап етеді және литий мен кобальт сияқты ресурстармен байланысты геосаяси факторларды қамтиды.
Әрине, аккумулятордың түріне қарамастан, өндіру процесінде пайдаланылатын энергия мөлшері және қолданыстан шығарылған аккумуляторларды залалсыздандыру тәсілі жалпы экологиялық тиімділікке әсер етеді.
Цинк негізіндегі аккумуляторлардағы соңғы жаңалықтар
Цинк-ауа аккумуляторлары
Артықшылықтары: Жоғары теориялық энергия тығыздығы, төмен құны, экологияға қолайлы; «жоғары энергия + төмен қуат» талап етілетін энерго сақтау және басқа қолданыстар үшін сәйкес келеді.
Қиыншылықтар: Қайта зарядталу, цикл өмірі және ауамен реакцияның тиімділігі негізгі технологиялық қиыншылықтар болып қала береді.
Цинк-ионды аккумуляторлар (ZIB)
Қазіргі уақытта үлкен масштабты өндіріс перспективасы бар цинк негізіндегі технология: қауіпсіз, құнын бақылау мүмкін, энергия тығыздығы мен қызмет ету мерзімі тұрақты түрде жақсарып келеді және болашақта қолданылу аясы одан әрі кеңейтілетіні күтілуде.
Цинк-марганец аккумуляторлары (Zn-MnO₂)
Бұл аккумуляторлардың құны төмен және қауіпсіз, бірақ циклдық өмірі мен энергия тығыздығы бойынша одан әрі ірі жетістіктерге ие болу қажет.
Цинк- Көміртегі батареялар
Бір рет қолданылатын, арзан құрылғыларда жиі қолданылады, олардың орныққан позициясы бар және олар заманауи литий батареяларын алмастыруы мүмкін емес.
Қорытынды: Бәсекелестік немесе қосымша қызмет көрсету?
Қуаттылығы жоғары және қашықтықта жұмыс істеуі қажетті мобильді телефондар мен электромашиналар сияқты қолданылу аймақтарында келесі бірнеше жыл ішінде литий батареялар ең сенімді және жетілген шешім болып қала береді.
Цинк негізіндегі батареялар қауіпсіздік, құны және ресурстарға дос тұрғысынан артықшылықтары бар. Олардың өнімділігі тұрақты түрде жақсарып келеді, сондықтан стационарлық энергия сақтау, желілік реттеу және қауіпсіздікті талап ететін құрылғылар сияқты кейбір қолданылу аймақтарында олар бар-бар көбірек белсенді болады.
Тренд тұрғысынан алғанда, «литий батареяларды толығымен ауыстыру» жақын уақыт ішінде нақты емес, бірақ «бір мезгілде пайдалану және өзара толықтыру» — бұл қоңыраулы даму жолы. Болашақта нарықта бір түрлі батареяның «нарықты бағыныдыруы» емес, әрқайсысы өзінің артықшылықтарын пайдаланатын көптеген жүйелердің бірлесіп болуы мүмкін.
Сипаттама: Мырыш-ауа батареялары құны, қауіпсіздігі және тұрақтылығы жағынан айтарлықтай артықшылықтарға ие, бірақ энергия сыйымдылығы, қайта зарядталуы және қызмет ету мерзімі шектеулері оларды жақын уақыт ішінде литий-ионды батареялардың орнын басуға мүмкіндік бермейді. Оның орнына олар әсіресе стационарлық сақтау және қауіпсіздікке негізделген қолдануларда литий-ионды батареяларды толықтыруы мүмкін.
EN
