Úvod
Lítium-iónové batérie (Li-ion) zostávajú dominantnou technológiou pre prenosné zariadenia a elektrické vozidlá vďaka ich vysokému energetickému obsahu a vyspelej dodávateľskej sieti. Naproti tomu batérie na báze zinku sú veľmi atraktívne z hľadiska bezpečnosti, nákladov a udržateľnosti, no stále čelia niektorým praktickým obmedzeniam v oblasti energetickej hustoty, životnosti a výroby vo veľkom merítku. To, či môžu nahradiť lítiové batérie, závisí hlavne od konkrétneho použitia: pri zariadeniach vyžadujúcich dlhú výdrž a vysokú energiu budú lítiové batérie krátkodobo výhodnejšie; zatiaľ čo zinkové batérie sa môžu postupne uplatniť v oblastiach s vysokými požiadavkami na bezpečnosť, citlivosťou na náklady alebo v stacionárnych systémoch na skladovanie energie.
Aký je rozdiel medzi lítiovými a zinkovými batériami?
Materiály a pracovné princípy
Lítiové batérie ukladajú energiu presunom lítiových iónov medzi kladnou a zápornou elektródou, zatiaľ čo batérie na báze zinku používajú ako „hlavného hráča“ zinok, vrátane batérií zinkovo-iónových, zinkovo-vzduchových a zinkovo-mangánových. Celkovo sú zdroje zinku hojnejšie, náklady nižšie a systém vo všeobecnosti bezpečnejší.
Energetická hustota
Lítiové batérie majú vyššiu energetickú hustotu, čo ich robí vhodnejšími pre scenáre, kde je dôležitá dlhá výdrž alebo miniaturizácia, ako napríklad mobilné telefóny a elektrické vozidlá.
Batérie na báze zinku majú vo všeobecnosti nižšiu energetickú hustotu, ale vynikajú nízkymi nákladmi na materiál a hojnou dostupnosťou surovín a neustále sa vylepšujú.
Bezpečnosť
Hlavným bezpečnostným rizikom lítiových batérií je tepelný únik, ktorý môže v extrémnych prípadoch viesť k požiaru.
Systémy na báze zinku často používajú vodné elektrolyty, ktoré sú zásadne menej horľavé, čo vedie k všeobecne lepšej bezpečnosti. Môžu však naraziť na nové výzvy, ako je rast dendrítov.
Náklady a suroviny
Zinok je oveľa lacnejší ako lithium a suroviny sú dostupnejšie. Hoci by sa mohlo zdať, že „lacnejšie materiály = lacnejšie batérie“, skutočná cena úzko súvisí s faktormi, ako je životnosť, zložitosť výroby a výťažok.
Jednoduché porovnanie chemických mechanizmov
Lítium-iontové batérie: Využívajú lítiové ióny, ktoré sa „interkalujú“ do materiálu, spolu s vyspelými katódovými materiálmi, ako sú NMC a LFP, čo umožňuje dosiahnuť vysokú energetickú hustotu.
Batérie na báze zinku: Niektoré využívajú pohyb zinočných iónov, zatiaľ čo iné sa opierajú o reakciu s kyslíkom vo vzduchu (zinočno-vzduchové batérie). Reakčné mechanizmy rôznych systémov sa veľmi líšia, čo vedie k odlišnému výkonu a vhodným oblastiam použitia.
Výkon energetickej hustoty
Lítovo-iónové batérie: Naďalej predstavujú „špičku“ pre väčšinu vysokoenergetických aplikácií. Batérie na báze zinku: Napriek tomu, že praktická energetická hustota ešte nie je vysoká, výskum a vývoj prebiehajú rýchlo. Napríklad batérie zinok-vzduch majú teoreticky pôsobivú energetickú hustotu, ale znovunabíjateľnosť a výkon zostávajú zábermi.
Výkon životnosti
Lítovo-iónové batérie majú vyspelý cyklický život, ktorý sa v rámci rôznych systémov pohybuje od stoviek až po tisíce cyklov.
Životnosť batérií na báze zinku závisí viac od samotného systému a technológií ako potláčanie dendritov; stále dobiehajú, no viditeľný pokrok je zrejmý.
Výkon napájania
Lítovo-iónové batérie majú jasné výhody pri vybíjaní s vysokým prúdom a rýchlej náprave, čo ich robí uprednostňovanou voľbou pre mnohé vysokovýkonné aplikácie.
Batérie na báze zinku však v niektorých systémoch (najmä zinok-vzduch) stretávajú s nedostatočným výkonom pri vysokom prúde, hoci sa výkon zinkovo-iónových batérií zlepšuje.
Materiálne náklady
Suroviny na báze zinku sú výrazne lacnejšie ako lítium a dodávateľský reťazec je oveľa jednoduchší.
Pri výpočte „celkových nákladov na používanie batérie“ však veci komplikujú faktory ako životnosť, výrobné metódy a stabilita.
Bezpečnosť
Lítium-iontové batérie sú pri vzniku problémov náchylné na termálny únik, čo robí bezpečnosť trvalým dôrazom priemyslu.
Zinkové systémy sú chemicky zásadne „miernejšie“, najmä vodné systémy, ktoré sú prakticky nehorľavé, a preto ponúkajú významnú výhodu z hľadiska bezpečnosti. Avšak inžiniersky dizajn zostáva rozhodujúci.
Vplyv na životné prostredie
Zásoby zinku sú hojné a ľahko recyklovateľné, čo vedie k relatívne nižšiemu environmentálnemu zaťaženiu; recyklácia lítiových batérií naopak vyžaduje väčšie úsilie a zahŕňa geopolitické aspekty súvisiace s takými surovinami ako lítium a kobalt.
Samozrejme, bez ohľadu na typ batérie, množstvo energie spotrebovanej počas výrobného procesu a spôsob likvidácie batérií po ukončení ich životnosti ovplyvní celkový environmentálny výkon.
Najnovšie vývojové trendy vo zinkových batériách
Zinkovo-vzdušné batérie
Výhody: Vysoká teoretická energetická hustota, nízke náklady, ekologickosť; vhodné pre skladovanie energie a iné aplikácie vyžadujúce „vysokú energiu + nízky výkon“.
Výzvy: Dobíjateľnosť, životnosť cyklu a účinnosť reakcie so vzduchom zostávajú kľúčovými technologickými výzvami.
Zinkovo-iónové batérie (ZIB)
Momentálne najperspektívnejšia zinková technológia pre masovú výrobu: bezpečná, s kontrolovateľnými nákladmi, s postupne sa zlepšujúcou energetickou hustotou a životnosťou, a očakáva sa ďalšie rozšírenie jej budúcich aplikácií.
Zinkovo-mangánové batérie (Zn-MnO₂)
Tieto batérie sú lacné a bezpečné, no potrebujú ďalšie prelomy v oblasti životnosti cyklu a energetickej hustoty.
Zinok- Uhličité batérie
Bežne používané v jednorázových, lacných aplikáciách, ich pozícia je relatívne jasná a nepravdepodobné, že by nahradili moderné lítiové batérie.
Zhrnutie: Súťaž alebo doplnkovosť?
Pre aplikácie, ako sú mobilné telefóny a elektrické vozidlá, ktoré vyžadujú vysoký výkon aj dlhý dojazd, budú lítiové batérie v najbližších rokoch zostať najspoľahlivejším a najzrelším riešením.
Batérie na báze zinku majú výhody v bezpečnosti, nákladoch a priateľskosti voči zdrojom. Ich výkon sa neustále zlepšuje, takže sa budú čoraz viac uplatňovať v niektorých oblastiach použitia – najmä v stacionárnych systémoch ukladania energie, regulácii siete a zariadeniach, kde má bezpečnosť najvyššiu prioritu.
Z hľadiska trendov je „úplné nahradenie lítiových batérií“ v krátkodobom horizonte nereálne, avšak „ich paralelné používanie a vzájomné dopĺňanie“ je realistickejší vývojový smer. Budúci trh bude pravdepodobnejšie charakterizovať súčasné fungovanie viacerých systémov, ktoré budú využívať svoje silné stránky, namiesto toho, aby jeden typ batérie „dominoval trhu“.
Popis: Batérie zinkovo-vzdušné ponúkajú výrazné výhody v oblasti nákladov, bezpečnosti a udržateľnosti, avšak ich obmedzenia v energetickej hustote, možnosti opätovného nabíjania a životnosti im v najbližšej dobe bránia v nahradení lítio-iontových článkov. Skôr je pravdepodobné, že ich budú dopĺňať, najmä v stacionárnych systémoch uchovávania energie a aplikáciách s vysokými požiadavkami na bezpečnosť.
EN
