แบตเตอรี่ชนิดสังกะสี-อากาศสามารถแทนที่ลิเธียมไอออนได้หรือไม่

บทนำ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) ยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับอุปกรณ์พกพาและยานยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูงและห่วงโซ่อุปทานที่มีความพร้อม ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีเป็นฐานมีข้อดีอย่างมากในด้านความปลอดภัย ต้นทุน และความยั่งยืน แต่ยังคงมีข้อจำกัดในเชิงปฏิบัติเรื่องความหนาแน่นพลังงาน อายุการใช้งาน และการผลิตในระดับใหญ่ ว่าจะสามารถแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมได้หรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งานเป็นหลัก: สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานและพลังงานสูง แบตเตอรี่ลิเธียมจะยังคงมีข้อได้เปรียบในระยะสั้น ขณะที่แบตเตอรี่สังกะสีอาจค่อยๆ สร้างตำแหน่งในพื้นที่ที่ต้องการความปลอดภัยสูง ความไวต่อต้นทุน หรือการจัดเก็บพลังงานแบบติดตั้งถาวร

แบตเตอรี่ลิเธียมและแบตเตอรี่สังกะสีต่างกันอย่างไร

วัสดุและหลักการทำงาน

แบตเตอรี่ลิเธียมจัดเก็บพลังงานโดยการเคลื่อนย้ายไอออนลิเธียมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีจะใช้สังกะสีเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งรวมถึงแบตเตอรี่ชนิดสังกะสี-ไอออน แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ และแบตเตอรี่สังกะสี-แมงกานีส โดยรวมแล้ว ทรัพยากรสังกะสีมีมากกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และระบบโดยทั่วไปมีความปลอดภัยสูงกว่า

ความหนาแน่นของพลังงาน

แบตเตอรี่ลิเธียมมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า ทำให้เหมาะสมกว่าสำหรับสถานการณ์ที่เน้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานหรือขนาดเล็กลง เช่น โทรศัพท์มือถือและยานยนต์ไฟฟ้า
แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีโดยทั่วไปมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า แต่มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนวัสดุที่ต่ำและทรัพยากรที่อุดมสมบูรณ์ และกำลังได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

ความปลอดภัย

ปัญหาด้านความปลอดภัยหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมคือการเกิดภาวะ thermal runaway ซึ่งในกรณีรุนแรงอาจนำไปสู่การเกิดเพลิงไหม้ได้
ระบบแบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีมักใช้อิเล็กโทรไลต์ชนิดน้ำ ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วมีความไวไฟต่ำกว่า ส่งผลให้โดยทั่วไปมีความปลอดภัยที่ดีกว่า อย่างไรก็ตาม อาจพบกับความท้าทายใหม่ๆ เช่น การเจริญเติบโตของ dendrite

ต้นทุนและทรัพยากร

สังกะสีมีราคาถูกกว่าลิเธียมมาก และแหล่งทรัพยากรมีอยู่ทั่วไปมากกว่า แม้ดูเหมือนว่า "วัสดุที่ถูกกว่า = แบตเตอรี่ที่ถูกกว่า" แต่ต้นทุนจริงๆ นั้นเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับปัจจัยต่างๆ เช่น อายุการใช้งาน ความซับซ้อนในการผลิต และอัตราผลผลิต

การเปรียบเทียบกลไกทางเคมีอย่างง่าย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: อาศัยการแทรกตัวของไอออนลิเธียม (intercalating) เข้าไปในวัสดุ ร่วมกับวัสดุแคโทดที่มีเทคโนโลยีก้าวหน้าแล้ว เช่น NMC และ LFP เพื่อให้ได้ความหนาแน่นพลังงานสูง
แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสี: บางชนิดใช้การเคลื่อนที่ของไอออนสังกะสี ในขณะที่บางชนิดอาศัยปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ (แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ) กลไกการเกิดปฏิกิริยาของระบบต่างๆ เหล่านี้แตกต่างกันมาก ส่งผลให้มีสมรรถนะและสถานการณ์การใช้งานที่ต่างกัน

สมรรถนะความหนาแน่นพลังงาน

แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน: ยังคงเป็นมาตรฐานสูงสุดสำหรับการใช้งานที่ต้องการพลังงานสูงส่วนใหญ่ แบตเตอรี่ชนิดที่ใช้สังกะสี: แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานในทางปฏิบัติจะยังไม่สูงมากนัก แต่การวิจัยและพัฒนาอยู่ในอัตราที่รวดเร็ว ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ มีศักยภาพด้านความหนาแน่นของพลังงานที่น่าประทับใจในทางทฤษฎี แต่ยังมีข้อจำกัดในด้านความสามารถในการชาร์จซ้ำและการปล่อยพลังงาน

สมรรถนะอายุการใช้งาน

แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนมีอายุการใช้งานแบบไซเคิลที่สุกงอมแล้ว โดยสามารถใช้งานได้ตั้งแต่หลายร้อยไปจนถึงหลายพันไซเคิล ขึ้นอยู่กับระบบต่างๆ
อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีขึ้นอยู่กับตัวระบบและเทคโนโลยี เช่น การยับยั้งเดนไดรต์ มากกว่า โดยขณะนี้ยังคงตามหลังอยู่ แต่มีความก้าวหน้าอย่างชัดเจน

ประสิทธิภาพพลังงาน

แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านการคายประจุอัตราสูงและการชาร์จเร็ว ทำให้เป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานประสิทธิภาพสูงหลายประเภท
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีประสบปัญหาด้านสมรรถนะที่ไม่เพียงพอเมื่อทำงานภายใต้กระแสไฟฟ้าสูงในบางระบบ (โดยเฉพาะแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ) แม้ว่าสมรรถนะของแบตเตอรี่สังกะสี-ไอออนจะมีแนวโน้มดีขึ้น

ต้นทุนวัสดุ

ต้นทุนวัตถุดิบของสังกะสีต่ำกว่าลิเธียมอย่างมาก และห่วงโซ่อุปทานมีความเรียบง่ายกว่ามาก
อย่างไรก็ตาม เมื่อคำนวณ "ต้นทุนรวมในการใช้งานแบตเตอรี่" แล้ว ปัจจัยต่างๆ เช่น อายุการใช้งาน วิธีการผลิต และความเสถียร จะทำให้สถานการณ์ซับซ้อนขึ้น

ความปลอดภัย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแนวโน้มเกิดภาวะความร้อนลุกลามเมื่อเกิดปัญหา ทำให้ความปลอดภัยเป็นประเด็นสำคัญที่อุตสาหกรรมต้องให้ความสนใจอยู่เสมอ
ระบบฐานสังกะสีมีลักษณะทางเคมีที่ค่อนข้าง "อ่อนโยน" กว่า โดยเฉพาะระบบน้ำซึ่งแทบไม่ติดไฟ จึงมีข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การออกแบบเชิงวิศวกรรมยังคงมีความสำคัญ

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

ทรัพยากรสังกะสีมีอยู่มากและสามารถรีไซเคิลได้ง่าย ส่งผลให้เกิดแรงกดดันต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า; ในทางตรงกันข้าม การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมต้องใช้ความพยายามมากกว่า และเกี่ยวข้องกับปัจจัยด้านภูมิรัฐศาสตร์ของทรัพยากร เช่น ลิเธียม และโคบอลต์
แน่นอน ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่ประเภทใดก็ตาม ปริมาณพลังงานที่ใช้ในกระบวนการผลิต และวิธีการกำจัดแบตเตอรี่เมื่อหมดอายุการใช้งาน จะมีผลต่อประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมโดยรวม

พัฒนาการล่าสุดของแบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสี

แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ

ข้อดี: มีความหนาแน่นของพลังงานเชิงทฤษฎีสูง ต้นทุนต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เหมาะสำหรับการจัดเก็บพลังงานและแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่ต้องการ "พลังงานสูง + พลังงานต่ำ"
ข้อท้าทาย: การชาร์จซ้ำได้ อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพของปฏิกิริยาทางอากาศยังคงเป็นปัญหาเทคโนโลยีหลักที่ต้องแก้ไข

แบตเตอรี่ไอออนสังกะสี (ZIB)

ปัจจุบันถือเป็นเทคโนโลยีที่ใช้สังกะสีที่มีแนวโน้มสูงสุดในการผลิตในระดับใหญ่: มีความปลอดภัย ควบคุมต้นทุนได้ ความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งานดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง และคาดว่าการประยุกต์ใช้ในอนาคตจะขยายตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

แบตเตอรี่สังกะสี-แมงกานีส (Zn-MnO₂)

แบตเตอรี่เหล่านี้มีราคาถูกและปลอดภัย แต่ยังจำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมในด้านอายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงาน

สังกะสี- แบตเตอรี่คาร์บอน

มักใช้ในอุปกรณ์ที่ใช้แล้วทิ้งและมีต้นทุนต่ำ ตำแหน่งการใช้งานค่อนข้างชัดเจน และไม่น่าจะมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมสมัยใหม่ได้

สรุป: การแข่งขันหรือความเกื้อกูลกัน?

สำหรับการใช้งาน เช่น โทรศัพท์มือถือและยานยนต์ไฟฟ้า ที่ต้องการทั้งพลังงานสูงและระยะทางการใช้งานไกล แบตเตอรี่ลิเธียมจะยังคงเป็นทางออกที่เชื่อถือได้และมีความพร้อมมากที่สุดในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

แบตเตอรี่ที่ใช้สังกะสีมีข้อดีในด้านความปลอดภัย ต้นทุน และมิตรภาพต่อทรัพยากร ประสิทธิภาพของพวกมันมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงจะมีบทบาทเด่นชัดมากขึ้นในบางสาขาการใช้งาน—โดยเฉพาะการจัดเก็บพลังงานแบบติดตั้งถาวร การควบคุมโครงข่ายไฟฟ้า และอุปกรณ์ที่ให้ความสำคัญกับความปลอดภัย

ในแง่ของแนวโน้ม การ "แทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมอย่างสมบูรณ์" นั้นไม่ใช่เรื่องที่เป็นจริงได้ในระยะสั้น แต่การ "ใช้งานคู่ขนานและเสริมจุดแข็งซึ่งกันและกัน" เป็นแนวทางพัฒนาที่สมเหตุสมผลมากกว่า ตลาดในอนาคตมีแนวโน้มที่จะเห็นระบบหลายรูปแบบอยู่ร่วมกัน โดยแต่ละระบบใช้ข้อได้เปรียบของตนเอง แทนที่จะให้แบตเตอรี่เพียงประเภทเดียว "ครอบงำตลาด"

คำอธิบาย：แบตเตอรี่ชนิดสังกะสี-อากาศ มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในด้านต้นทุน ความปลอดภัย และความยั่งยืน แต่ข้อจำกัดในด้านความหนาแน่นของพลังงาน ความสามารถในการชาร์จซ้ำ และอายุการใช้งาน ทำให้มันไม่สามารถแทนที่ลิเธียมไอออนได้ในระยะใกล้นี้ แต่กลับมีแนวโน้มที่จะเข้ามาเสริมการทำงานของลิเธียมไอออน โดยเฉพาะในระบบจัดเก็บพลังงานแบบติดตั้งถาวรและการประยุกต์ใช้งานที่เน้นความปลอดภัย