Могу ли цинк-ваздушне батерије да замене литијум-јонске?

Увод

Литијум-јонске батерије (Li-ion) остају доминантна технологија за преносиве уређаје и електромобиле због високе густине енергије и развијене снабдевачке мреже. Насупрот томе, цинкове батерије су веома привлачне с обзиром на сигурност, трошкове и одрживост, али и даље имају одређене практичне ограничења у погледу густине енергије, трајања и производње у великом обиму. Да ли ће моћи да замене литијумске батерије зависи углавном од примене: за уређаје који захтевају дугу трајност и високу енергију, литијумске батерије ће остати предностије у кратком року; док ће цинкове батерије постепено стицати терен у областима са високим захтевима за безбедношћу, осетљивошћу на цену или стационарним складиштењем енергије.

Које су разлике између литијумских и цинкових батерија?

Материјали и радни принципи

Литијумске батерије чувају енергију премештањем литијумских јона између позитивне и негативне електроде, док цин-базиране батерије користе цин као „главни“ елемент, укључујући батерије на бази цин-јона, цин-ваздух и цин-манган. Укупно, ресурси цина су обилнији, трошкови су нижи, а систем је генерално безбеднији.

Gustina energije

Литијумске батерије имају већу густину енергије, због чега су погодније за сценарије у којима је приоритет дуг трајања батерије или минијатуризација, као што су мобилни телефони и електромобили.
Цин-базиране батерије генерално имају нижу густину енергије, али истичу се ниском ценом материјала и обилним ресурсима, а тренутно се стално побољшавају.

Безбедност

Главни безбедносни проблем код литијумских батерија је термални рад, који у екстремним случајевима може довести до пожара.
Цин-базирани системи често користе водене електролите, који су по природи мање запаљиви, због чега је безбедност генерално боља. Међутим, могу наићи на нове изазове, као што је раст дендрита.

Трошкови и ресурси

Cink je znatno jeftiniji od litijuma, a resursi su lakše dostupni. Iako bi se moglo pomisliti da „jeftiniji materijali = jeftinije baterije“, stvarna cena u velikoj meri zavisi od faktora poput veka trajanja, složenosti proizvodnje i prinosa.

Jednostavna poređenja hemijskih mehanizama

Litijum-jonske baterije: Zasnivaju se na litijum-jonima koji se „interkalciraju“ unutar materijala, uz korišćenje zrelih katodnih materijala kao što su NMC i LFP, kako bi se postigla visoka gustina energije.
Baterije zasnovane na cinku: Neke koriste kretanje cink-jona, dok druge funkcionišu na bazi reakcije sa kiseonikom iz vazduha (cink-vazduh baterije). Hemijski mehanizmi različitih sistema se znatno razlikuju, što rezultuje različitim performansama i oblastima primene.

Performanse gustine energije

Батерије литијум-јон: Настављају да буду „стаклени плафон“ за већину високоенергетских апликација. Батерије засноване на цинку: Иако практична густина енергије још увек није висока, истраживање и развој су брзи. На пример, теоретски гледано, цинк-ваздушне батерије имају импресивну густину енергије, али поновно пуњење и излазна снага остају критичне тачке.

Перформансе трајања

Батерије литијум-јон имају зрели циклус трајања, који варира од стотина до хиљада циклуса у зависности од система.
Трајање цинк-базираних батерија више зависи од самог система и технологија као што је сузбијање дендрита; још увек их достиже, али постоји значајан напредак.

Performanse Snage

Батерије литијум-јон имају јасне предности у погледу дисперзије на високим брзинама и брзог пуњења, због чега су првенствени избор за многе високоперформантске апликације.
Цинк-базиране батерије, међутим, сусрећу се са недовољном перформансом на високим струјама у неким системима (посебно цинк-ваздушним), иако се перформансе цинк-јонских батерија побољшавају.

Материјални трошкови

Сировина цинк има значајно нижу цену од литијума, а снабдевачки ланац је много једноставнији.
Међутим, када се рачуна „укупна цена коришћења батерије“, фактори попут трајања, метода производње и стабилности ометају ствари.

Безбедност

Литијум-јонске батерије склоне су термалном преступању када дође до проблема, због чега сигурност остаје стални фокус индустрије.
Цинкови системи су по природи хемијски „милији“, посебно водени системи који су у основи незапаљиви, чиме нуде значајну предност у погледу сигурности. Међутим, инжењерски дизајн и даље има кључну улогу.

Еколошки утицај

Ресурси цинка су обилни и лако се рециклирају, што резултира релативно мањим еколошким притиском; рециклирање литијумских батерија, са друге стране, захтева више напора и укључује геополитичке факторе повезане са ресурсима попут литијума и кобалта.
Наравно, без обзира на тип батерије, количина енергије која се користи у процесу производње и начин одлагања батерија на крају њиховог века трајања ће утицати на опште еколошко перформансе.

Недавни развој цин-базираних батерија

Цин-ваздушне батерије

Предности: Висока теоретска густина енергије, ниска цена, пријатељски према животној средини; погодне за складиштење енергије и друге примене које захтевају „високу енергију + ниску снагу“.
Изазови: Поновно пуњење, трајање циклуса и ефикасност ваздушне реакције остају кључни технолошки изазови.

Цин-јонске батерије (ZIB)

Тренутно цин-базирана технологија са највећом шансом за масовну производњу: сигурна је, контролабилна по цени, са стално побољшаном густином енергије и дужином трајања, а очекује се да ће се њена будућа примена наставити да проширује.

Цин-манган батерије (Zn-MnO₂)

Ове батерије су јефтине и сигурне, али потребни су даљи пробоји у погледу трајања циклуса и густине енергије.

Цин- Угљеничне батерије

Често се користе у једнократним, нискотрошковним применама, њихов положај је релативно јасан и нису вероватни заменици модерних литијумских батерија.

Сажетак: Конкуренција или комплементарност?

За примене као што су мобилни телефони и електрична возила којима су потребни високи напон и дуг радијус деловања, литијумске батерије ће остати најпоуздано и најзрелије решење наредних неколико година.

Батерије засноване на цинку имају предности у погледу сигурности, трошкова и пријатељства према ресурсима. Њихове перформансе се стално побољшавају, тако да ће постати све истакнутије у одређеним областима примене — посебно у стационарном складиштењу енергије, регулацији мреже и уређајима где је приоритет сигурност.

Са становишта тренда, „потпуно замењивање литијумских батерија“ је нереално у кратком року, али „коришћење уз паралелну сарадњу и међусобно допуњавање“ је разумнији развојни пут. Вероватније је да ће на тржишту у будућности коегзистирати више система, користећи своје предности, него да једна врста батерија „доминира тржиштем“.

Опис: Цинк-ваздушне батерије имају јаке предности у погледу цене, сигурности и одрживости, али њихове ограничења у густини енергије, могућности поновног пуњења и трајању спречавају да замене литијум-јонске у наредном периоду. Уместо тога, вероватно ће их допуњивати, посебно у стационарним системима складиштења и применама где је сигурност приоритет.