Чи можуть цинк-повітряні батареї замінити літій-іонні?

Вступ

Літій-іонні акумулятори (Li-ion) залишаються домінуючою технологією для портативних пристроїв і електричних транспортних засобів завдяки високій густині енергії та відпрацьованому ланцюгу постачання. Навпаки, цинкові акумулятори є досить привабливими з точки зору безпеки, вартості та сталого розвитку, проте вони все ще стикаються з певними практичними обмеженнями щодо густини енергії, терміну служби та масового виробництва. Чи зможуть вони замінити літієві акумулятори, залежить переважно від сценарію застосування: для пристроїв, які потребують тривалого заряду та високої енергоємності, літієві акумулятори залишатимуться більш вигідними у короткостроковій перспективі; тоді як цинкові акумулятори можуть поступово зайняти нішу в галузях із високими вимогами до безпеки, чутливих до вартості або у сфері стаціонарного зберігання енергії.

У чому різниця між літієвими та цинковими акумуляторами?

Матеріали та принципи роботи

Літієві акумулятори накопичують енергію шляхом переміщення літієвих іонів між позитивним та негативним електродами, тоді як акумулятори на основі цинку використовують цинк як «головного дійового особу», зокрема акумулятори типу цинк-іон, цинк-повітря та цинк-марганець. Загалом, цинкові ресурси є більш доступними, вартість нижча, а система, як правило, безпечніша.

Щільність енергії

Літієві акумулятори мають вищу густину енергії, що робить їх більш придатними для сценаріїв, де важливою є тривала робота або мініатюризація, наприклад, мобільні телефони та електромобілі.
Акумулятори на основі цинку, як правило, мають нижчу густину енергії, проте вони вирізняються низькою вартістю матеріалів та великою доступністю ресурсів і постійно удосконалюються.

Безпека

Головною проблемою безпеки літієвих акумуляторів є тепловий пробій, що в екстремальних випадках може призвести до пожежі.
Системи на основі цинку часто використовують водні електроліти, які за своєю природою менш пожежонебезпечні, що забезпечує загалом кращу безпеку. Однак вони можуть стикатися з новими викликами, такими як утворення дендритів.

Вартість та ресурси

Цинк значно дешевший за літій, а ресурси є набагато доступнішими. Хоча може здатися, що «дешевші матеріали = дешевші акумулятори», реальна вартість тісно пов'язана з такими факторами, як термін служби, складність виробництва та вихід продукту.

Просте порівняння хімічних механізмів

Літій-іонні акумулятори: ґрунтуються на інтеркаляції іонів літію всередині матеріалу разом із зрілими катодними матеріалами, такими як NMC та LFP, що забезпечує високу енергетичну густину.
Акумулятори на основі цинку: деякі використовують рух іонів цинку, тоді як інші ґрунтуються на реакції з киснем із повітря (цинк-повітряні акумулятори). Механізми реакцій різних систем суттєво відрізняються, що призводить до різних показників продуктивності та сфер застосування.

Показники енергетичної густини

Літій-іонні акумулятори: залишаються «лідерами» для більшості високоенергетичних застосувань. Цинкові акумулятори: хоча практична щільність енергії ще не висока, дослідження та розробки розвиваються швидко. Наприклад, цинк-повітряні акумулятори теоретично мають вражаючу щільність енергії, але перезаряджання та вихідна потужність залишаються обмежувальними факторами.

Експлуатаційний термін

Літій-іонні акумулятори мають зрілий цикл життя — від сотень до тисяч циклів у різних системах.
Термін служби цинкових акумуляторів більше залежить від самої системи та технологій, таких як пригнічення дендритів; вони все ще наздogaють, але значний прогрес очевидний.

Енергоефективна продукція

Літій-іонні акумулятори мають чіткі переваги у випадку високострумового розряду та швидкого заряджання, що робить їх найкращим вибором для багатьох високопродуктивних застосунків.
Цинкові акумулятори, однак, стикаються з недостатньою продуктивністю при високих струмах у деяких системах (особливо цинк-повітря), хоча показники цинк-іонних акумуляторів покращуються.

Матреальні витрати

Вартість сировини цинку значно нижча, ніж літію, а ланцюг поставок набагато простіший.
Однак під час розрахунку "загальної вартості використання акумулятора" такі фактори, як термін служби, методи виробництва та стабільність, ускладнюють ситуацію.

Безпека

Літій-іонні акумулятори схильні до теплового неконтрольованого розгону за наявності проблем, через що безпека залишається постійним пріоритетом галузі.
Цинкові системи за своєю природою хімічно більш "мяккі", особливо водні системи, які фактично не горять, і тому мають суттєву перевагу в плані безпеки. Проте проектування конструкції залишається критично важливим.

Екологічний вплив

Ресурси цинку є великими та їх легко переробляти, що призводить до відносно меншого екологічного тиску; переробка літій-іонних акумуляторів, навпаки, вимагає більше зусиль і пов’язана з геополітичними чинниками, пов’язаними з такими ресурсами, як літій та кобальт.
Звісно, незалежно від типу акумулятора, обсяг енергії, витраченої в процесі виробництва, та спосіб утилізації акумуляторів після закінчення терміну їхнього життя впливатимуть на загальну екологічну ефективність.

Останні розробки у галузі цинкових акумуляторів

Цинко-повітряні акумулятори

Переваги: висока теоретична густина енергії, низька вартість, екологічність; придатні для зберігання енергії та інших застосувань, де потрібна «висока енергія + низька потужність».
Виклики: перезаряджання, термін служби та ефективність повітряних реакцій залишаються ключовими технологічними викликами.

Цинково-іонні акумулятори (ZIB)

Наразі це цинкова технологія з найкращими шансами на масове виробництво: безпечна, контрольована за вартістю, з поступово покращуваною густиною енергії та терміном служби, і очікується, що сфера її майбутніх застосувань продовжуватиме розширюватися.

Цинко-марганцеві акумулятори (Zn-MnO₂)

Ці акумулятори є недорогими та безпечними, проте потрібні подальші прориви у терміні служби та густині енергії.

Цинк- Вугільні батареї

Зазвичай використовуються в одноразових, недорогих пристроях, їхня позиція досить чітка, і малоймовірно, що вони замінять сучасні літієві акумулятори.

Підсумок: Конкуренція чи доповнення?

Для застосувань, таких як мобільні телефони та електромобілі, де потрібні висока потужність і довгий запас ходу, літієві акумулятори залишатимуться найбільш надійним і відпрацьованим рішенням протягом кількох найближчих років.

Цинкові акумулятори мають переваги в плані безпеки, вартості та екологічності ресурсів. Їхні характеристики постійно покращуються, тому вони все більше проявлятимуть себе в окремих галузях застосування — зокрема, в стаціонарних системах зберігання енергії, регулюванні мережі та пристроях, де пріоритетною є безпека.

З точки зору тенденцій, «повна заміна літієвих акумуляторів» є нереальною у короткостроковій перспективі, тоді як «сумісне використання та взаємне доповнення» — це більш реалістичний шлях розвитку. У майбутньому ринку ймовірніше буде існування кількох систем одночасно, кожна з яких використовуватиме свої переваги, замість того, щоб один тип акумуляторів «домінував на ринку».

Опис: цинк-повітряні акумулятори мають суттєві переваги у вартості, безпеці та сталому розвитку, але їх обмеження щодо густини енергії, можливості перезарядки та терміну служби не дозволяють їм замінити літій-іонні акумулятори в найближчій перспективі. Натомість вони, швидше за все, доповнюватимуть літій-іонні, особливо в стаціонарних системах зберігання енергії та застосуваннях, де важлива безпека.