Kan sink-luft-batterier erstatte litium-ion?

Introduksjon

Litiumionbatterier (Li-ion) er fremdeles den dominerende teknologien for bærbare enheter og elektriske kjøretøyer på grunn av sin høye energitetthet og modne forsyningskjede. Sinkbaserte batterier er derimot svært attraktive når det gjelder sikkerhet, kostnad og bærekraftighet, men møter fortsatt noen praktiske begrensninger når det gjelder energitetthet, levetid og produksjon i stor skala. Om de kan erstatte litiumbatterier, avhenger hovedsakelig av bruksområdet: for enheter som krever lang batterilevetid og høy energi vil litiumbatterier forbli mer fordelaktige på kort sikt; mens sinkbatterier gradvis kan vinne fotfeste innen områder med høye krav til sikkerhet, kostnadssensitivitet eller stasjonær energilagring.

Hva er forskjellen mellom litiumbatterier og sinkbatterier?

Materialer og virkemåter

Lithiumbatterier lagrer energi ved å flytte litiumioner mellom den positive og negative elektroden, mens sinkbaserte batterier bruker sink som «hovedrolle», inkludert sink-ion-batterier, sink-luft-batterier og sink-mangan-batterier. Generelt er sinkressurser mer rikelige, kostnaden lavere, og systemet vanligvis sikrere.

Energi-tettleiken

Lithiumbatterier har en høyere energitetthet, noe som gjør dem mer egnet for scenarier som prioriterer lang levetid eller miniatyrisering, som for eksempel mobiltelefoner og elektriske kjøretøyer.
Sinkbaserte batterier har generelt lavere energitetthet, men de utmerker seg ved lave materialkostnader og rikelige ressurser, og blir kontinuerlig forbedret.

Sikkerhet

Den viktigste sikkerhetsutfordringen med lithiumbatterier er termisk gjennomløp, som i ekstreme tilfeller kan føre til brann.
Sinkbaserte systemer bruker ofte vannbaserte elektrolytter, som er i utgangspunktet mindre brennbare, noe som resulterer i generelt bedre sikkerhet. De kan imidlertid møte nye utfordringer som vekst av dendritter.

Kostnad og ressurser

Sink er mye billigere enn litium, og ressursene er mer lett tilgjengelige. Selv om det kan virke som at "billigere materialer = billigere batterier", er den faktiske kostnaden tett knyttet til faktorer som levetid, produksjonskompleksitet og utbytte.

Enkel sammenligning av kjemiske mekanismer

Lithiumionbatterier: Benytter seg av litiumioner som «interkaleres» i materialet, kombinert med modne katodematerialer som NMC og LFP, for å oppnå høy energitetthet.
Sinkbaserte batterier: Noen bruker bevegelse av sinkioner, mens andre er avhengige av reaksjon med oksygen i luften (sink-luft-batterier). Reaksjonsmekanismene i ulike systemer varierer sterkt, noe som fører til ulik ytelse og anvendelsesområder.

Ytelse for energitetthet

Lithium-ion-batterier: Forblir «standardet» for de fleste høyenergi-applikasjoner. Sinkbaserte batterier: Selv om praktisk energitetthet foreløpig ikke er høy, er forskning og utvikling rask. For eksempel har sink-luft-batterier teoretisk sett imponerende energitetthet, men gjenoppladbarhet og effektytelse forblir flaskehalser.

Levetidsytelse

Lithium-ion-batterier har moden sykluslevetid, som varierer fra hundrevis til tusenvis av sykler i ulike systemer.
Levetiden til sinkbaserte batterier avhenger mer av systemet selv og teknologier som dendrittundertrykkelse; de tar fortsatt igjen, men betydelig fremgang er synlig.

Kraft og ytelse

Lithium-ion-batterier har klare fordeler ved høyutladning og hurtiglading, noe som gjør dem til foretrukket valg for mange høytytende applikasjoner.
Sinkbaserte batterier møter imidlertid utilstrekkelig ytelse ved høy strøm i noen systemer (spesielt sink-luft), selv om ytelsen til sink-ion-batterier forbedres.

Materielle kostnadar

Råvarekostnaden for sink er betydelig lavere enn for litium, og verdikjeden er mye enklere.
Når man beregner «totalkostnaden for batteribruk», gjør faktorer som levetid, produksjonsmetoder og stabilitet tingene mer kompliserte.

Sikkerhet

Lithiumionbatterier er utsatt for termisk ubeherskethet når det oppstår problemer, noe som gjør sikkerhet til et konstant fokus i industrien.
Sinkbaserte systemer er fra naturens side mer «milde» kjemisk, spesielt vandige systemer som i praksis er ikke-brennbare, og gir dermed et betydelig sikkerhetsfordel. Imidlertid er teknisk design fortsatt avgjørende.

Miljøpåvirkning

Sinkressurser er rikelige og lette å resirkulere, noe som fører til relativt mindre miljøbelastning; resirkulering av litiumbatterier derimot, krever mer innsats og omfatter geopolitiske faktorer knyttet til ressurser som litium og kobolt.
Selvfølgelig vil, uavhengig av batteritype, mengden energi som brukes i produksjonsprosessen og hvordan utslitte batterier disponeres, påvirke den totale miljøytelsen.

Nye utviklinger innen zinkbaserte batterier

Zink-luft-batterier

Fordeler: Høy teoretisk energitetthet, lav kostnad, miljøvennlig; egnet for energilagring og andre anvendelser som krever "høy energi + lav effekt".
Utfordringer: Gjenoppladbarhet, sykluslevetid og luftreaksjonseffektivitet er fremdeles nøkkeltknologiske utfordringer.

Zink-ionbatterier (ZIB)

For øyeblikket den zinkbaserte teknologien med størst sjanse for storstilt produksjon: sikker, kostnadskontrollerbar, med stadig bedre energitetthet og levetid, og det forventes at bruksområdene vil fortsette å utvide seg.

Zink-manganbatterier (Zn-MnO₂)

Disse batteriene er billige og sikre, men det trengs ytterligere gjennombrudd når det gjelder sykluslevetid og energitetthet.

Zink- Karbonbatterier

Vanlig brukt i engangs- og lavkostnadsapplikasjoner, har de en relativt klar posisjon og er usannsynlig til å erstatte moderne litiumbatterier.

Sammendrag: Konkurranse eller komplementaritet?

For applikasjoner som mobiltelefoner og elektriske kjøretøyer som krever både høy ytelse og lang rekkevidde, vil litiumbatterier forbli den mest pålitelige og modne løsningen de neste årene.

Sinkbaserte batterier har fordeler når det gjelder sikkerhet, kostnad og ressurssvennlighet. Ytelsen deres forbedres kontinuerlig, og de vil derfor bli stadig mer fremtredende i visse anvendelsesområder – spesielt stasjonær energilagring, nettregulering og enheter hvor sikkerhet er prioritert.

Sett fra en trendmessig vinkel er «fullstendig erstatning av litiumbatterier» urealistisk på kort sikt, men «å bruke dem side om side og supplere hverandre» er en mer rimelig utviklingsbane. Det fremtidige markedet vil mest sannsynlig se flere systemer som eksisterer parallelt og utnytter sine respektive styrker, i stedet for at én type batteri «dominerer markedet».

Beskrivelse: Sink-luft-batterier har klare fordeler når det gjelder kostnad, sikkerhet og bærekraftighet, men deres begrensninger i energitetthet, ladelighet og levetid hindrer at de erstatter litium-ion i nær fremtid. I stedet vil de sannsynligvis supplere litium-ion, spesielt innen stasjonær lagring og applikasjoner hvor sikkerhet er avgjørende.