Цинкові акумулятори: чи можуть вони стати заміною літій-іонним батареям?

Цинкові акумулятори на сьогоднішній день розглядаються як багатообіцяюча заміна класичним літій-іонним батареям. Вони забезпечують більш широкий температурний діапазон експлуатації, триваліший термін використання та нижчі витрати за кіловат-годину.

Фокус з'ясував, що відомо про цинкові акумулятори і чи є у них потенціал стати альтернативою літій-іонним батареям.

За даними UPS Battery Center, у 1866 році Французький вчений Жорж Лекланше винайшов батарею, що складалася з цинкового анода з катодом з діоксиду марганцю, загорнутим у пористий матеріал. У цьому елементі як електроліт використовувався розчин хлориду амонію.

Завдяки інтеграції вуглецю в катод з діоксиду марганцю, ця батарея забезпечила більш швидке поглинання енергії та подовжений термін зберігання. Лекланше вдосконалив цю технологію, замінивши рідкий електроліт на пастоподібний, що призвело до створення першої сухої батареї. Таке нововведення дозволило використовувати її в різних положеннях і транспортувати без ризику витікання.

Інший варіант сухого елемента був винайдений Карлом Гасснером, який отримав німецький патент на варіант батареї Лекланше 15 листопада 1887 року. Вчений використав гіпс для створення пасти з хлориду амонію, змішаної з невеликою кількістю хлориду цинку, щоб продовжити термін служби батареї.

В результаті батарея мала більш міцну конструкцію та забезпечувала 1,5 вольта при повному використанні. Ця розробка проклала шлях для першої масоцентричної батареї, яка живить портативні електричні пристрої.

Згідно з інформацією від Ufine Battery, цинкові акумулятори поділяються на два ключових види: цинк-повітряні та цинк-іонні. Обидва варіанти використовують природні характеристики цинку, такі як висока енергетична щільність, доступність та безпечність для здоров'я, для генерації електроенергії. Принцип функціонування цинкових акумуляторів варіюється в залежності від їхнього типу.

Цинково-повітряні акумулятори генерують електричну енергію через хімічну реакцію, що відбувається між цинком і киснем, який надходить з атмосферного повітря. Їх основна структура може бути зображена так:

Коли акумулятор втрачає заряд, цинк, розташований на аноді, undergoes окислення, вивільняючи електрони. Кисень, що міститься в атмосфері, взаємодіє з водою та електронами на катоді, в результаті чого виникають гідроксид-іони. Ці іони переміщуються через електроліт, замикаючи електричне коло і генеруючи електричну енергію.

Цинк-іонні акумулятори функціонують подібно до літій-іонних, проте в їхньому процесі замість літієвих іонів використовуються іони цинку (Zn²⁺). Коли акумулятор розряджається:

Міжнародна асоціація цинку повідомляє, що цинкові акумулятори розглядаються як обнадійлива технологія з кількох причин:

За даними Material Science, цинкові акумулятори сьогодні застосовуються в різних промислових секторах. До прикладу, вони пропонують економічно ефективну альтернативу літій-іонним акумуляторам, у сфері автотранспорту, а також можуть накопичувати енергію в масштабах мережі.

Як зазначають експерти, низька вартість та висока енергоефективність цинкових батарей дозволяє стабілізувати мережі, підключені до відновлюваних джерел енергії, щоб уникнути перевантаження в пікові періоди генерації.

Згідно з інформацією, наданою Zinc Battery Initiative, літій-іонні акумулятори є ефективними для регулярних циклів заряджання та розряджання, що дозволяє оптимізувати витрати на електроенергію. Однак їхня економічна ефективність недостатня для забезпечення тривалого резервного живлення на кілька днів.

Цинкові акумулятори, в свою чергу, здатні виконувати обидві ролі і є вигідним рішенням, забезпечуючи тривалість заряджання, що варіюється від 3 до 72 годин. Середній термін експлуатації таких акумуляторів наближається до 20 років, в той час як літій-іонні моделі мають очікуваний термін служби близько 12 років.

Автори зазначили, що нікель-цинкові акумулятори мають циклічний термін служби, подібний до літій-іонних. При цьому цинкові акумулятори не сульфатуються, що призводить до значно тривалішого терміну зберігання та меншого погіршення продуктивності наприкінці терміну служби.

Хоча цинкові батареї мають багато переваг, вони також стикаються з певними істотними труднощами. Як зазначає Material Science, водні електроліти можуть призводити до формування дендритів — голкоподібних структур з цинку, які накопичуються на аноді під час циклів зарядки та розрядки. Це не лише завдає шкоди акумулятору, але й знижує його ефективність у розрядці та зарядці, а також скорочує термін експлуатації.

Щоб повною мірою використати потенціал цинкових акумуляторів як вигідної альтернативи літій-іонним, потрібні безперервні дослідження та вдосконалення. Науковцям слід зосередити свої зусилля на створенні нових катодних матеріалів, які мають високу ємність, стабільні циклічні характеристики та швидку кінетику, а також на розробці більш надійних електролітів.

У публікації підкреслили, що, крім звичних архітектур, необхідно звернути увагу на новаторські рішення, такі як гібридні акумулятори та окисно-відновні батареї на основі цинкової хімії. Використання сучасних обчислювальних технологій може сприяти вдосконаленню дизайну акумуляторів.

Нагадуємо, що вчені з Індійського інституту науки (IISc) розробили новаторський цинково-повітряний акумулятор, здатний виробляти перекис водню економічним та екологічно безпечним методом.

Фокус також повідомляв, що Мексиканські вчені створили прототип цинк-повітряної батареї, який працює навіть після того, як його пробили цвяхом, потримали у вогні та занурили у воду.