Kan zink-luft-batterier ersätta litiumjon?

Introduktion

Lithiumjonbatterier (Li-jon) förblir den dominerande tekniken för bärbara enheter och elfordon på grund av sin höga energitäthet och mogna leveranskedja. I motsats till detta är zinkbaserade batterier mycket attraktiva ur säkerhetssynpunkt, kostnad och hållbarhet, men de står fortfarande inför vissa praktiska begränsningar när det gäller energitäthet, livslängd och tillverkning i stor skala. Om de kan ersätta litiumbatterier beror främst på användningsområdet: för enheter som kräver lång batteritid och hög energi kommer litiumbatterier att förbli mer fördelaktiga på kort sikt; medan zinkbatterier gradvis kan få fotfäste inom områden med höga säkerhetskrav, kostnadskänslighet eller stationära energilagringslösningar.

Vad är skillnaderna mellan litiumbatterier och zinkbatterier?

Material och funktionsprinciper

Litiumbatterier lagrar energi genom att förflytta litiumjoner mellan den positiva och negativa elektroden, medan zinkbaserade batterier använder zink som "huvudkaraktär", inklusive zink-jonbatterier, zink-luft-batterier och zink-mangan-batterier. Övergripande är zinkresurser mer rikliga, kostnaden lägre och systemet generellt säkrare.

Energitäthet

Litiumbatterier har en högre energitäthet, vilket gör dem mer lämpliga för scenarier där lång batteritid eller miniatyrisering prioriteras, till exempel mobiltelefoner och elfordon.
Zinkbaserade batterier har generellt lägre energitäthet, men de utmärker sig genom låga materialkostnader och rikliga resurser, och förbättras ständigt.

Säkerhet

Den främsta säkerhetsrisk med litiumbatterier är termiskt urartande, vilket i extrema fall kan leda till eld.
Zinkbaserade system använder ofta vattenbaserade elektrolyter, vilka från början är mindre brännbara, vilket resulterar i generellt bättre säkerhet. De kan dock möta nya utmaningar såsom dendritväxt.

Kostnad och resurser

Zink är mycket billigare än litium, och resurserna är mer lättillgängliga. Även om det kan verka att "billigare material = billigare batterier", är den faktiska kostnaden nära kopplad till faktorer som livslängd, tillverkningskomplexitet och utbyte.

Enkel jämförelse av kemiska mekanismer

Litiumjonbatterier: Förlitar sig på att litiumjoner "interkaleras" i materialet, kombinerat med mogna katodmaterial såsom NMC och LFP, för att uppnå hög energitäthet.
Zinkbaserade batterier: Vissa använder rörelse av zinkjoner, medan andra förlitar sig på reaktion med syre i luften (zink-luft-batterier). Reaktionsmekanismerna i olika system varierar kraftigt, vilket resulterar i olika prestanda och användningsområden.

Prestanda vad gäller energitäthet

Litiumjonbatterier: Förblir "taket" för de flesta högenergitillämpningar. Zinkbaserade batterier: Även om praktisk energitäthet ännu inte är hög, så är forskning och utveckling snabb. Till exempel har zink-luft-batterier teoretiskt imponerande energitäthet, men återladdningsbarhet och effektkapacitet förblir flaskhalsar.

Livslängdsprestanda

Litiumjonbatterier har en mogen cykellivslängd som varierar från hundratals till tusentals cykler beroende på system.
Zinkbaserade batteriers livslängd beror mer på systemet självt och tekniker som dendritsuppression; de har fortfarande ikapp att springa, men tydlig framsteg syns.

Effektprestanda

Litiumjonbatterier har tydliga fördelar vad gäller urladdning vid hög ström och snabbladdning, vilket gör dem till det föredragna valet för många högpresterande tillämpningar.
Zinkbaserade batterier stöter dock på otillräcklig prestanda vid hög ström i vissa system (särskilt zink-luft), även om prestandan hos zinkjonbatterier förbättras.

Materiella kostnader

Råmaterialkostnaden för zink är betydligt lägre än för litium, och leveranskedjan är mycket enklare.
När man däremot beräknar "den totala kostnaden för att använda batteriet" kompliceras saken av faktorer som livslängd, tillverkningsmetoder och stabilitet.

Säkerhet

Litiumjonbatterier är benägna att utveckla termiskt genomstart vid problem, vilket gör säkerheten till en konstant branschprioritet.
Zinkbaserade system är kemiskt sett från natur mer "milda", särskilt vattenbaserade system som i praktiken är oförbrännliga, vilket ger ett betydande säkerhetsföreträde. Men ingenjörsdesign förblir avgörande.

Miljöpåverkan

Zinkresurser är rikliga och lätta att återvinna, vilket resulterar i relativt mindre påverkan på miljön; återvinning av litiumbatterier kräver däremot större insats och innefattar geopolitiska faktorer kopplade till resurser som litium och kobolt.
Självklart påverkar mängden energi som används i produktionsprocessen och hur batterier hanteras vid slutet av livscykeln den totala miljöpåverkan, oavsett batterityp.

Senaste utvecklingen inom zinkbaserade batterier

Zink-luft-batterier

Fördelar: Hög teoretisk energitäthet, låg kostnad, miljövänlig; lämplig för energilagring och andra tillämpningar som kräver "hög energi + låg effekt".
Utmaningar: Återladdningsbarhet, cykellivslängd och effektivitet i luftreaktioner kvarstår som viktiga tekniska utmaningar.

Zink-jonbatterier (ZIB)

För närvarande den zinkbaserade tekniken med störst chans att produceras i stor skala: säker, kostnadseffektiv, med stadigt förbättrad energitäthet och livslängd, och dess framtida tillämpningar förväntas fortsätta att växa.

Zink-mangan-batterier (Zn-MnO₂)

Dessa batterier är billiga och säkra, men behöver ytterligare genombrott vad gäller cykellivslängd och energitäthet.

Zink- Kolbatterier

Vanligtvis använda i engångs- och lågkostnadsapplikationer har de en relativt tydlig position och är osannolika att ersätta moderna litiumbatterier.

Sammanfattning: Konkurrens eller komplementaritet?

För applikationer som mobiltelefoner och elfordon som kräver både hög effekt och lång räckvidd kommer litiumbatterier att förbli den mest tillförlitliga och mogna lösningen under de kommande åren.

Zinkbaserade batterier har fördelar när det gäller säkerhet, kostnad och resursvänlighet. Deras prestanda förbättras ständigt, vilket innebär att de kommer att bli allt mer framträdande inom vissa tillämpningsområden – särskilt stationära energilagringslösningar, nätreglering och säkerhetskritiska enheter.

Ur ett trendperspektiv är det orimligt att "fullständigt ersätta litiumbatterier" på kort sikt, men att "använda dem parallellt och komplettera varandra" är en mer rimlig utvecklingsväg. Framtida marknad kommer troligen att se flera system existera sida vid sida, där varje system utnyttjar sina styrkor, snarare än att en typ av batteri "dominerar marknaden".

Beskrivning: Zink-luftbatterier erbjuder starka fördelar när det gäller kostnad, säkerhet och hållbarhet, men deras begränsningar vad gäller energitäthet, laddningsförmåga och livslängd hindrar dem från att ersätta litiumjonbatterier på kort sikt. Istället är det troligt att de kompletterar litiumjonbatterier, särskilt inom stationära lagrings- och säkerhetskritiska tillämpningar.