Могут ли цинк-воздушные батареи заменить литий-ионные?

Введение

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) остаются доминирующей технологией для портативных устройств и электромобилей благодаря высокой плотности энергии и отлаженной цепочке поставок. В отличие от них, цинковые батареи весьма привлекательны с точки зрения безопасности, стоимости и устойчивости, однако до сих пор сталкиваются с определёнными практическими ограничениями по плотности энергии, сроку службы и масштабам производства. Смогут ли они заменить литиевые батареи, в основном зависит от сценария применения: для устройств, требующих длительного времени автономной работы и высокой энергоёмкости, литиевые аккумуляторы останутся более предпочтительными в краткосрочной перспективе; в то же время цинковые батареи могут постепенно занять свою нишу в областях с высокими требованиями к безопасности, чувствительных к стоимости или в системах стационарного накопления энергии.

В чём разница между литиевыми и цинковыми батареями?

Материалы и принципы работы

Литиевые батареи накапливают энергию за счёт перемещения ионов лития между положительным и отрицательным электродами, тогда как цинковые батареи используют цинк в качестве «основного элемента», включая цинк-ионные, цинк-воздушные и цинк-марганцевые батареи. В целом, запасы цинка более обильны, стоимость ниже, а система, как правило, безопаснее.

Энергетическая плотность

Литиевые батареи обладают более высокой плотностью энергии, что делает их более подходящими для сценариев, где приоритетными являются длительное время работы или миниатюризация, например, мобильные телефоны и электромобили.
Цинковые батареи, как правило, имеют более низкую плотность энергии, но они выигрывают за счёт низкой стоимости материалов и обилия ресурсов, а также постоянно совершенствуются.

Безопасность

Основная проблема безопасности литиевых батарей — это тепловой разгон, который в крайних случаях может привести к возгоранию.
Цинковые системы часто используют водные электролиты, которые по своей природе менее воспламеняемы, что обеспечивает, как правило, лучшую безопасность. Однако они могут сталкиваться с новыми вызовами, такими как рост дендритов.

Стоимость и ресурсы

Цинк намного дешевле лития, и ресурсы более доступны. Хотя может показаться, что «дешёвые материалы = дешёвые батареи», фактическая стоимость тесно связана с такими факторами, как срок службы, сложность производства и выход годной продукции.

Простое сравнение химических механизмов

Литий-ионные аккумуляторы: работают за счёт внедрения (интеркаляции) литиевых ионов в материал, в сочетании со зрелыми катодными материалами, такими как NMC и LFP, что обеспечивает высокую плотность энергии.
Цинк-основные батареи: некоторые используют движение ионов цинка, другие — реакцию с кислородом из воздуха (цинк-воздушные батареи). Механизмы реакций в различных системах сильно различаются, что приводит к разным характеристикам и областям применения.

Показатели плотности энергии

Литий-ионные аккумуляторы: остаются «стандартом» для большинства приложений с высоким энергопотреблением. Цинковые аккумуляторы: хотя практическая плотность энергии пока не высока, исследования и разработки ведутся быстрыми темпами. Например, цинк-воздушные аккумуляторы теоретически обладают впечатляющей плотностью энергии, но перезаряжаемость и выходная мощность остаются узкими местами.

Рабочий ресурс

Литий-ионные аккумуляторы имеют зрелый цикл службы, который варьируется от сотен до тысяч циклов в зависимости от системы.
Срок службы цинковых аккумуляторов зависит больше от самой системы и таких технологий, как подавление дендритов; они всё ещё находятся в процессе наверстывания, однако заметен значительный прогресс.

Производительность

Литий-ионные аккумуляторы имеют явные преимущества при разряде высоким током и быстрой зарядке, что делает их предпочтительным выбором для многих высокопроизводительных приложений.
Цинковые аккумуляторы, однако, сталкиваются с недостаточной производительностью при высоких токах в некоторых системах (особенно цинк-воздушных), хотя характеристики цинк-ионных аккумуляторов постепенно улучшаются.

Материальные затраты

Стоимость сырья цинка значительно ниже, чем у лития, а производственная цепочка намного проще.
Однако при расчете «общей стоимости использования аккумулятора» такие факторы, как срок службы, методы производства и стабильность, усложняют ситуацию.

Безопасность

Ионно-литиевые аккумуляторы склонны к тепловому разгону при возникновении проблем, поэтому безопасность постоянно находится в центре внимания отрасли.
Цинковые системы по своей химической природе более «мягкие», особенно водные системы, которые по сути являются негорючими, что обеспечивает значительное преимущество в плане безопасности. Тем не менее, инженерное проектирование остается крайне важным.

Воздействие на окружающую среду

Запасы цинка обильны и легко поддаются переработке, что приводит к относительно меньшему экологическому давлению; переработка литиевых аккумуляторов, напротив, требует больших усилий и связана с геополитическими факторами, касающимися таких ресурсов, как литий и кобальт.
Конечно, независимо от типа аккумулятора, объем энергии, используемой в производственном процессе, и способ утилизации аккумуляторов в конце срока службы будут влиять на общие экологические показатели.

Последние разработки в области цинковых аккумуляторов

Цинк-воздушные аккумуляторы

Преимущества: высокая теоретическая плотность энергии, низкая стоимость, экологичность; подходят для хранения энергии и других применений, требующих «высокой энергоемкости при низкой мощности».
Сложности: перезаряжаемость, срок службы и эффективность реакции с воздухом остаются ключевыми технологическими вызовами.

Цинк-ионные аккумуляторы (ZIB)

В настоящее время это цинковая технология, имеющая наибольшие шансы на массовое производство: безопасная, с контролируемой стоимостью, с постоянно растущей плотностью энергии и сроком службы, и ожидается дальнейшее расширение областей её применения.

Цинко-марганцевые аккумуляторы (Zn-MnO₂)

Эти аккумуляторы являются недорогими и безопасными, однако для них необходимы дополнительные прорывы в плане срока службы и плотности энергии.

Цинк- Угольные батареи

Часто используются в одноразовых и недорогих устройствах, их позиционирование достаточно ясно, и они вряд ли заменят современные литиевые батареи.

Резюме: конкуренция или взаимодополняемость?

Для приложений, таких как мобильные телефоны и электромобили, которым требуются высокая мощность и большой запас хода, литиевые батареи останутся наиболее надежным и зрелым решением в течение ближайших нескольких лет.

Цинковые батареи имеют преимущества в плане безопасности, стоимости и экологичности ресурсов. Их характеристики постоянно улучшаются, поэтому они будут занимать всё более заметное положение в некоторых областях применения — особенно в стационарных системах хранения энергии, регулировании сетей и устройствах, где приоритетом является безопасность.

С точки зрения тенденций, «полная замена литиевых аккумуляторов» в краткосрочной перспективе нереальна, однако «совместное использование и взаимное дополнение» является более обоснованным путём развития. В будущем рынке скорее всего будет наблюдаться сосуществование нескольких систем, каждая из которых будет использовать свои преимущества, а не доминирование одного типа аккумуляторов.

Описание: цинк-воздушные аккумуляторы обладают значительными преимуществами в плане стоимости, безопасности и устойчивости, однако их ограничения по плотности энергии, перезаряжаемости и сроку службы не позволяют им заменить литий-ионные аккумуляторы в ближайшее время. Вместо этого они, вероятно, будут дополнять литий-ионные, особенно в стационарных системах хранения энергии и приложениях, где важна безопасность.