Uvod
Litijeve baterije (Li-ion) ostajajo prevladujoča tehnologija za prenosne naprave in električna vozila zaradi visoke gostote energije in zrele dobavne verige. Cinkove baterije so sicer zelo privlačne glede na varnost, stroške in trajnost, vendar še vedno kažejo določene praktične omejitve pri gostoti energije, življenjski dobi in proizvodnji v velikih količinah. Ali jih bodo lahko nadomestile, je odvisno predvsem od uporabnega scenarija: pri napravah, ki zahtevajo dolgo življenjsko dobo in visoko energijo, bodo litijeve baterije na kratkoročnem seznamu še naprej ugodnejše; medtem ko bodo cinkove baterije postopoma pridobivale mesto v področjih z visokimi zahtevami po varnosti, občutljivosti na stroške ali v fiksni shrambi energije.
Kakšne so razlike med litijevimi in cinkovimi baterijami?
Materiali in delovna načela
Litijeve baterije shranjujejo energijo tako, da premikajo litijeve ione med pozitivno in negativno elektrodo, medtem ko kot »glavni protagonist« uporabljajo cinkove baterije, vključno s cinkovo-ionskimi, cinkovo-zračnimi in cinkovo-manganovimi baterijami. Na splošno so cinkovi virov bolj obilni, stroški nižji in sistem varnejši.
Gostota energije
Litijeve baterije imajo višjo gostoto energije, zaradi česar so primernejše za scenarije, kjer je prednostna dolga življenjska doba ali miniaturizacija, na primer mobilni telefoni in električna vozila.
Cinkove baterije imajo na splošno nižjo gostoto energije, vendar se izkazujejo po nizkih stroških materiala in obilnih virih ter se stalno izboljšujejo.
Varnost
Glavna varnostna težava pri litijevih baterijah je termični zagon, ki v ekstremnih primerih lahko povzroči požar.
Cinkovi sistemi pogosto uporabljajo vodne elektrolite, ki so po naravi manj gorljivi, kar pomeni splošno boljšo varnost. Vendar se lahko soočijo z novimi izzivi, kot je rast dendritov.
Stroški in virov
Cink je veliko cenejši od litija, in virov je na voljo več. Čeprav se zdi, da »cenejši materiali = cenejše baterije«, dejanska cena tesno souvisi z dejavniki, kot so življenjska doba, zapletenost proizvodnje in izkoristek.
Enostavna primerjava kemičnih mehanizmov
Litij-ionske baterije: delujejo na osnovi litijevih ionov, ki se »vklapljajo« v material, skupaj z dozorelimi katodnimi materiali, kot so NMC in LFP, kar omogoča visoko gostoto energije.
Baterije na osnovi cinka: nekatere uporabljajo gibanje cinkovih ionov, druge pa reakcijo s kisikom iz zraka (cink-zračne baterije). Reakcijski mehanizmi različnih sistemov se močno razlikujejo, kar povzroči različne zmogljivosti in primernost za različne uporabe.
Zmogljivost gostote energije
Litij-ionske baterije: Ostajajo »standard« za večino visokoenergijskih aplikacij. Cinkove baterije: Čeprav praktična gostota energije še ni visoka, poteka razvoj hitro. Na primer, cink-zračne baterije teoretično ponujajo impresivno gostoto energije, vendar ostajata ponovna polnljivost in izhodna moč ključni oviri.
Delovanje življenjske dobe
Litij-ionske baterije imajo zrelo število ciklov, ki se giblje od stotih do tisoč ciklov glede na različne sisteme.
Življenjska doba cinkovih baterij je bolj odvisna od samega sistema in tehnologij, kot je zatiranje dendritov; še vedno jim zmanjkuje, a so vidni pomembni napreki.
Moč in učinkovitost
Litij-ionske baterije imajo jasne prednosti pri praznjenju z visokim tokom in hitrem polnjenju, zaradi česar so prva izbira za mnoge visoko zmogljive aplikacije.
Cinkove baterije pa v nekaterih sistemih (zlasti cink-zračnih) naletijo na nezadostno zmogljivost pri visokih tokovih, čeprav se zmogljivost cink-ionskih baterij izboljšuje.
Stroški na gradivo
Surovinski strošek cinka je znatno nižji kot pri litiju, in dobavna veriga je veliko preprostejša.
Vendar ko izračunamo »skupne stroške uporabe baterije«, dejavniki, kot so življenjska doba, proizvodne metode in stabilnost, stvari zakomplicirajo.
Varnost
Litij-ionske baterije so nagnjene k termičnemu zagonu, kadar pridejo do težav, kar varnost postavi v stalno središče pozornosti industrije.
Cinkove sisteme so kemično osnovno bolj »nežni«, zlasti vodni sistemi, ki so praktično nezmožni goriti, kar ponuja pomembno prednost v varnosti. Vendar ostaja inženirsko načrtovanje ključno.
Vpliv na okolje
Zaloge cinka so obilne in jih je enostavno reciklirati, kar pomeni relativno manjši okoljski pritisk; recikliranje litijevih baterij zahteva več truda in vključuje geopolitične dejavnike, povezane z viri, kot sta litij in kobalt.
Seveda, ne glede na vrsto baterije, bo količina energije, porabljene v proizvodnem procesu, ter način odstranjevanja rabljenih baterij vplivala na splošno okoljsko učinkovitost.
Najnovejši razvoji cinkovih baterij
Cinkovo-zračne baterije
Prednosti: Visoka teoretična gostota energije, nizka cena, okolju prijazne; primerne za shranjevanje energije in druge aplikacije, ki zahtevajo »visoko energijo + nizko moč«.
Izzivi: Ponovna polnljivost, življenjska doba cikla in učinkovitost zračne reakcije ostajajo ključni tehnološki izzivi.
Cink-ionske baterije (ZIB)
Trenutno najbolj obetavna cinkova tehnologija za masovno proizvodnjo: varna, z nadzorovanimi stroški, s stalno izboljševano gostoto energije in življenjsko dobo, pričakuje pa se nadaljnje širjenje prihodnjih aplikacij.
Cink-manganove baterije (Zn-MnO₂)
Te baterije so poceni in varne, vendar so potrebni dodatni preboji na področju življenjske dobe cikla in gostote energije.
Cink- Karbon baterije
Pogosto uporabljane v enkratnih, nizkocenovnih napravah, je njihova pozicija relativno jasna in malo verjetno, da bi nadomestile sodobne litijeve baterije.
Povzetek: Tekmovanje ali dopolnjevanje?
Za aplikacije, kot so mobilni telefoni in električna vozila, ki zahtevajo visoko moč in dolg doseg, bodo litijeve baterije ostale najbolj zanesljiva in zrele rešitev naslednjih nekaj let.
Cinkove baterije imajo prednosti pri varnosti, stroških in prijaznosti do virov. Njihova zmogljivost se stalno izboljšuje, zato bodo vse bolj opazne na nekaterih področjih uporabe – še posebej pri stacionarnem shranjevanju energije, regulaciji omrežja in napravah, kjer je prednost dana varnosti.
Z vidika trendov je »popolna zamenjava litijevih baterij« v kratkem roku nerealna, »uporaba ob strani in medsebojno dopolnjevanje« pa je bolj smiselna razvojna pot. Prihodnji trg bo verjetneje videl sočasno obstajanje več sistemov, ki bodo vsi izkoriščali svoje prednosti, namesto da bi ena vrsta baterij »prevladala na trgu«.
Opis: Cinkovo-zračne baterije ponujajo močne prednosti pri ceni, varnosti in trajnosti, vendar njihove omejitve glede gostote energije, ponovne polnljivosti in življenjske dobe preprečujejo, da bi jih v bližnji prihodnosti zamenjale litijeve baterije. Namesto tega bodo verjetneje dopolnjevale litijeve baterije, zlasti v fiksni shrambi in aplikacijah, kjer je poudarek na varnosti.
EN
