Цинковые батареи заменят литиевые: почему они лучше и дешевле привычных аккумуляторов (фото)

Фокус узнал, что известно о цинковых аккумуляторах и могут ли они заменить литий-ионные батареи.

История возникновения цинковых батарей

По данным UPS Battery Center, в 1866 году Французский ученый Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анода с катодом из диоксида марганца, завернутым в пористый материал. В этом элементе в качестве электролита использовался раствор хлорида аммония.

Благодаря добавлению углерода к катоду из диоксида марганца эта батарея обеспечивала более быстрое поглощение и более длительный срок хранения. Лекланше усовершенствовал эту батарею, заменив жидкий электролит пастообразным, что привело к созданию первой батареи сухого типа. Ее можно было использовать в различных положениях и транспортировать без разливания.

Другой вариант сухого элемента был изобретен Карлом Гасснером, который получил немецкий патент на вариант батареи Лекланше 15 ноября 1887 года. Ученый использовал гипс для создания пасты из хлорида аммония, смешанной с небольшим количеством хлорида цинка, чтобы продлить срок службы батареи.

В результате батарея имела более прочную конструкцию и обеспечивала 1,5 вольта при полном использовании. Эта разработка проложила путь для первой массоцентрической батареи, которая питает портативные электрические устройства.

Как работают цинковые батареи

Как объясняет Ufine Battery, существует два основных типа цинковых аккумуляторов: цинк-воздушные аккумуляторы и цинк-ионные аккумуляторы. Оба используют природные свойства цинка — высокую плотность энергии, распространенность и нетоксичность — для выработки энергии. Принцип работы цинковых аккумуляторов зависит от их типа.

Цинково-воздушные батареи вырабатывают электроэнергию благодаря реакции между цинком и кислородом из воздуха. Их упрощенная схема выглядит следующим образом:

• анод: изготовлен из металлического цинка;
• катод: пористый электрод, который позволяет кислороду из воздуха вступать в реакцию;
• электролит: обычно щелочной раствор (например, гидроксид калия).

Когда аккумулятор разряжается, цинк на аноде окисляется, высвобождая электроны. Кислород из воздуха реагирует с водой и электронами на катоде, образуя гидроксид-ионы. Эти ионы проходят через электролит, замыкая цепь, вырабатывая электричество.

В то же время цинк-ионные аккумуляторы работают аналогично литий-ионным, но вместо ионов лития используют ионы цинка (Zn²⁺). Во время разряда:

• ионы цинка движутся от анода (металлический цинк) через электролит к катоду (часто это материал на основе оксида марганца или ванадия);
• электроны протекают через внешнюю цепь, питая устройства;
• во время зарядки процесс происходит в обратном направлении, и ионы цинка возвращаются к аноду.

В чем преимущества цинковых батарей

International Zinc Association сообщает, что цинковые аккумуляторы считают перспективной технологией по ряду причин:

• цинковые батареи гибкие, способны к длительному сроку службы, имеют высокую удельную энергию и мощность;
• они имеют широкий рабочий температурный диапазон и требуют минимального обслуживания;
• в широком спектре применений цинковые батареи являются самым дешевым вариантом;
• цинковые батареи нетоксичны и изготовлены из распространенных и недорогих материалов, доступных через разнообразные и надежные цепочки поставок.
• цинковые батареи имеют низкий риск пожара;
• после окончания срока службы их можно переработать.

Где используются цинковые батареи

По данным Material Science, цинковые аккумуляторы сегодня применяются в различных промышленных секторах. К примеру, они предлагают экономически эффективную альтернативу литий-ионным аккумуляторам, в сфере автотранспорта, а также могут накапливать энергию в масштабах сети.

Как отмечают эксперты, низкая стоимость и высокая энергоэффективность цинковых батарей позволяет стабилизировать сети, подключенные к возобновляемым источникам энергии, чтобы избежать перегрузки в пиковые периоды генерации.

Цинковые батареи против литий-ионных против литий-ионных

Как объясняет Zinc Battery Initiative, литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят для ежедневного цикла зарядки/разрядки для управления счетами, но они не могут экономически работать достаточно долго, чтобы гарантировать многодневное резервное питание

В свою очередь цинковые аккумуляторы могут выполнять обе функции и являются экономически эффективными, с масштабируемой продолжительностью зарядки от 3 до 72 часов. Средний срок службы цинковых аккумуляторов составляет почти 20 лет, тогда как литий-ионные рассчитаны примерно на 12 лет.

Авторы отметили, что никель-цинковые аккумуляторы имеют циклический срок службы, подобный литий-ионным. При этом цинковые аккумуляторы не сульфатируются, что приводит к значительно более длительному сроку хранения и меньшему ухудшению производительности в конце срока службы.

Могут ли цинковые аккумуляторы заменить литий-ионные аккумуляторы

Несмотря на многочисленные преимущества, цинковые батареи также имеют существенные проблемы. Material Science пишет, что водные электролиты могут вызывать образование дендритов — иглообразных цинковых структур, накапливающихся на аноде во время циклов разрядки/зарядки. Это повреждает аккумулятор и уменьшает его скорость разрядки/зарядки и срок службы.

Для полноценной реализации потенциала цинковых аккумуляторов как экономически эффективной альтернативы литий-ионным, необходимы постоянные исследования и усовершенствования. Ученым стоит сосредоточиться на разработке новых катодных материалов с высокой емкостью, стабильными циклическими характеристиками и быстрой кинетикой, а также более стабильных электролитов.

В издании отметили, что кроме традиционных конструкций, следует исследовать инновационные архитектуры, такие как гибридные батареи и окислительно-восстановительные батареи, использующие цинковую химию. Передовые вычислительные технологии могут помочь оптимизировать конструкцию аккумуляторов.

Напомним, исследователи из Индийского института науки (IISc) создали инновационный цинково-воздушный аккумулятор, который производит перекись водорода недорогим и экологически чистым способом.

Фокус также сообщал, что Мексиканские ученые создали прототип цинк-воздушной батареи, который работает даже после того, как его пробили гвоздем, подержали в огне и погрузили в воду.