Pot bateriile cu zinc-aer înlocui bateriile cu litiu-ion?

Introducere

Bateriile cu litiu-ion (Li-ion) rămân tehnologia dominantă pentru dispozitivele portabile și vehiculele electrice datorită densității mari de energie și a lanțului de aprovizionare matur. În schimb, bateriile pe bază de zinc sunt destul de atractive în ceea ce privește siguranța, costul și sustenabilitatea, dar încă se confruntă cu anumite limitări practice legate de densitatea energetică, durata de viață și producția la scară largă. Faptul dacă pot înlocui bateriile cu litiu depinde în principal de scenariul de aplicație: pentru dispozitivele care necesită autonomie mare și energie ridicată, bateriile cu litiu vor rămâne mai avantajoase pe termen scurt; în timp ce bateriile cu zinc ar putea câștiga treptat teren în domenii cu cerințe ridicate de siguranță, sensibilitate la cost sau stocare statică de energie.

Care sunt diferențele dintre bateriile cu litiu și bateriile cu zinc?

Materiale și principii de funcționare

Bateriile cu litiu stochează energie prin deplasarea ionilor de litiu între electrozii pozitivi și negativi, în timp ce bateriile pe bază de zinc folosesc zincul ca „protagonist”, inclusiv baterii cu ion de zinc, baterii zinc-aer și baterii zinc-mangan. În general, resursele de zinc sunt mai abundente, costul este mai scăzut, iar sistemul este în general mai sigur.

Densitatea energetică

Bateriile cu litiu au o densitate energetică mai mare, ceea ce le face mai potrivite pentru scenarii care prioritizează durata lungă de funcționare sau miniaturizarea, cum ar fi telefoanele mobile și vehiculele electrice.
Bateriile pe bază de zinc au în general o densitate energetică mai mică, dar se remarca prin costuri reduse ale materialelor și resurse abundente, fiind în continuă îmbunătățire.

Siguranță

Problema principală de siguranță a bateriilor cu litiu este rularea termică, care poate duce în cazuri extreme la incendiu.
Sistemele pe bază de zinc utilizează adesea electroliți apoși, care sunt în mod natural mai puțin inflamabili, rezultând o siguranță în general mai bună. Totuși, pot apărea provocări noi, cum ar fi creșterea dendritelor.

Cost și Resurse

Zincul este mult mai ieftin decât litiul, iar resursele sunt mai ușor disponibile. Deși s-ar părea că „materiale mai ieftine = baterii mai ieftine”, costul real este strâns legat de factori precum durata de viață, complexitatea producției și randamentul.

Comparație simplă a mecanismelor chimice

Bateriile cu ion de litiu: Se bazează pe ioni de litiu care se „intercalează” în material, combinați cu materiale catodice mature, cum ar fi NMC și LFP, pentru a obține o densitate energetică ridicată.
Bateriile pe bază de zinc: Unele utilizează mișcarea ionilor de zinc, în timp ce altele se bazează pe reacția cu oxigenul din aer (baterii zinc-aer). Mecanismele de reacție ale sistemelor diferite variază foarte mult, rezultând în performanțe diferite și scenarii aplicabile distincte.

Performanța densității energetice

Bateriile cu litiu-ion: Rămân "standardul" pentru majoritatea aplicațiilor cu înaltă energie. Bateriile pe bază de zinc: Deși densitatea practică a energiei nu este încă ridicată, cercetarea și dezvoltarea sunt rapide. De exemplu, bateriile zinc-aer au teoretic o densitate energetică impresionantă, dar reîncărcarea și puterea de ieșire rămân blocate.

Performanța duratei de viață

Bateriile cu litiu-ion au o durată de ciclu maturizată, variind de la sute la mii de cicluri în funcție de sistem.
Durata de viață a bateriilor pe bază de zinc depinde mai mult de sistemul în sine și de tehnologii precum suprimarea dendritelor; acestea sunt încă în urmă, dar se observă progrese semnificative.

Performanță puternică

Bateriile cu litiu-ion au avantaje clare în descărcarea cu rată mare și încărcarea rapidă, făcându-le opțiunea preferată pentru numeroase aplicații de înaltă performanță.
Bateriile pe bază de zinc întâmpină totuși o performanță insuficientă la curent înalt în unele sisteme (mai ales zinc-aer), deși performanța bateriilor zinc-ion se îmbunătățește.

Costuri materiale

Costul materiei prime de zinc este semnificativ mai mic decât cel al litiului, iar lanțul de aprovizionare este mult mai simplu.
Cu toate acestea, atunci când se calculează "costul total de utilizare a bateriei", factori precum durata de viață, metodele de fabricație și stabilitatea complică situația.

Siguranță

Bateriile cu ion de litiu sunt predispuși la rulare termică în cazul apariției unor probleme, ceea ce face ca siguranța să fie o preocupare constantă a industriei.
Sistemele pe bază de zinc sunt în mod natural mai „mild” din punct de vedere chimic, mai ales sistemele apoase care sunt esențialmente neinflamabile, oferind astfel un avantaj semnificativ în ceea ce privește siguranța. Cu toate acestea, proiectarea inginerească rămâne crucială.

Impact asupra mediului

Resursele de zinc sunt abundente și ușor de reciclat, ceea ce duce la o presiune de mediu relativ mai redusă; reciclarea bateriilor cu litiu, pe de altă parte, necesită mai mult efort și implică factori geopolitici legați de resurse precum litiul și cobaltul.
Desigur, indiferent de tipul bateriei, cantitatea de energie utilizată în procesul de producție și modul în care bateriile aflate la sfârșitul ciclului de viață sunt eliminate vor afecta performanța generală de mediu.

Evolutii recente în bateriile pe bază de zinc

Baterii zinc-aer

Avantaje: Densitate energetică teoretică ridicată, costuri reduse, prietenoase cu mediul; potrivite pentru stocarea energiei și alte aplicații care necesită "energie mare + putere mică".
Provocări: Reciclabilitatea, durata de viață în ciclu și eficiența reacției cu aerul rămân provocări tehnologice esențiale.

Baterii cu ion de zinc (ZIB)

În prezent, tehnologia pe bază de zinc cu cele mai mari șanse de producție la scară largă: sigure, cu costuri controlabile, densitate energetică și durată de viață în continuă îmbunătățire, iar aplicațiile viitoare se estimează că vor continua să se extindă.

Baterii zinc-mangan (Zn-MnO₂)

Aceste baterii sunt ieftine și sigure, dar sunt necesare avansuri suplimentare în ceea ce privește durata de viață în ciclu și densitatea energetică.

Zinc- Baterii cu carbon

Utilizate frecvent în aplicații de unică folosință și ieftine, poziționarea lor este relativ clară, iar ele nu vor înlocui probabil bateriile moderne pe bază de litiu.

Rezumat: Competiție sau complementaritate?

Pentru aplicații precum telefoanele mobile și vehiculele electrice, care necesită atât putere mare, cât și autonomie mare, bateriile pe bază de litiu vor rămâne cea mai fiabilă și matură soluție pentru următorii câțiva ani.

Bateriile pe bază de zinc au avantaje în ceea ce privește siguranța, costul și prietenia față de resurse. Performanța lor se îmbunătățește constant, astfel că vor deveni din ce în ce mai promițătoare în anumite domenii de aplicare — în special stocarea statică a energiei, reglarea rețelei electrice și dispozitivele unde siguranța are prioritate.

Din punct de vedere al tendințelor, „înlocuirea completă a bateriilor cu litiu” nu este realistă pe termen scurt, dar „utilizarea lor în paralel și complementară” reprezintă o cale de dezvoltare mai rezonabilă. Este mai probabil ca pe piața viitorului să coexiste mai multe sisteme, fiecare valorificându-și punctele forte, mai degrabă decât un singur tip de baterie care „domină piața”.

Descriere: Bateriile cu zinc-aer oferă avantaje semnificative în ceea ce privește costul, siguranța și sustenabilitatea, dar limitările lor legate de densitatea energetică, posibilitatea de reîncărcare și durata de viață le împiedică să înlocuiască bateriile cu litiu-ion pe termen scurt. În schimb, este probabil să le completeze, în special în stocarea staționară și în aplicațiile unde siguranța este prioritară.