Цинкові батареї замінять літієві: чому вони кращі та дешевші за звичні акумулятори (фото)

Фокус дізнався, що відомо про цинкові акумулятори і чи можуть вони замінити літій-іонні батареї.

Історія виникнення цинкових батарей

За даними UPS Battery Center, 1866 року французький учений Жорж Лекланше винайшов батарею, що складається з цинкового анода з катодом з діоксиду марганцю, загорнутим у пористий матеріал. У цьому елементі як електроліт використовували розчин хлориду амонію.

Завдяки додаванню вуглецю до катода з діоксиду марганцю ця батарея забезпечувала більш швидке поглинання і більш тривалий термін зберігання. Лекланше вдосконалив цю батарею, замінивши рідкий електроліт пастоподібним, що призвело до створення першої батареї сухого типу. Її можна було використовувати в різних положеннях і транспортувати без розливання.

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

У результаті батарея мала міцнішу конструкцію і забезпечувала 1,5 вольта при повному використанні. Ця розробка проклала шлях для першої масоцентричної батареї, яка живить портативні електричні пристрої.

Як працюють цинкові батареї

Як пояснює Ufine Battery, існує два основних типи цинкових акумуляторів: цинк-повітряні акумулятори та цинк-іонні акумулятори. Обидва використовують природні властивості цинку — високу щільність енергії, поширеність і нетоксичність — для вироблення енергії. Принцип роботи цинкових акумуляторів залежить від їхнього типу.

Цинково-повітряні батареї виробляють електроенергію завдяки реакції між цинком і киснем із повітря. Їхня спрощена схема має такий вигляд:

• анод: виготовлений з металевого цинку;
• катод: пористий електрод, який дозволяє кисню з повітря вступати в реакцію;
• електроліт: зазвичай лужний розчин (наприклад, гідроксид калію).

Коли акумулятор розряджається, цинк на аноді окислюється, вивільняючи електрони. Кисень із повітря реагує з водою та електронами на катоді, утворюючи гідроксид-іони. Ці іони проходять через електроліт, замикаючи ланцюг, виробляючи електрику.

Водночас цинк-іонні акумулятори працюють аналогічно літій-іонним, але замість іонів літію використовують іони цинку (Zn²⁺). Під час розряду:

• іони цинку рухаються від анода (металевий цинк) через електроліт до катода (часто це матеріал на основі оксиду марганцю або ванадію);
• електрони протікають через зовнішній ланцюг, живлячи пристрої;
• під час заряджання процес відбувається у зворотному напрямку, і іони цинку повертаються до анода.

У чому переваги цинкових батарей

International Zinc Association повідомляє, що цинкові акумулятори вважають перспективною технологією з низки причин:

• цинкові батареї гнучкі, здатні до тривалого терміну служби, мають високу питому енергію і потужність;
• вони мають широкий робочий температурний діапазон і потребують мінімального обслуговування;
• у широкому спектрі застосувань цинкові батареї є найдешевшим варіантом;
• цинкові батареї нетоксичні і виготовлені з поширених і недорогих матеріалів, доступних через різноманітні та надійні ланцюжки поставок.
• цинкові батареї мають низький ризик пожежі;
• після закінчення терміну служби їх можна переробити.

Де використовуються цинкові батареї

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

Як зазначають експерти, низька вартість і висока енергоефективність цинкових батарей дає змогу стабілізувати мережі, під'єднані до поновлюваних джерел енергії, щоб уникнути перевантаження в пікові періоди генерації.

Цинкові батареї проти літій-іонних проти літій-іонних

Як пояснює Zinc Battery Initiative, літій-іонні акумулятори добре підходять для щоденного циклу заряджання/розряджання для управління рахунками, але вони не можуть економічно працювати досить довго, щоб гарантувати багатоденне резервне живлення.

Своєю чергою цинкові акумулятори можуть виконувати обидві функції та є економічно ефективними, з масштабованою тривалістю заряджання від 3 до 72 годин. Середній термін служби цинкових акумуляторів становить майже 20 років, тоді як літій-іонні розраховані приблизно на 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 і меншого погіршення продуктивності наприкінці терміну служби.

Чи можуть цинкові акумулятори замінити літій-іонні акумулятори

Попри численні переваги, цинкові батареї також мають суттєві проблеми. Material Science пише, що водні електроліти можуть спричиняти утворення дендритів — голкоподібних цинкових структур, що накопичуються на аноді під час циклів розрядки/зарядки. Це пошкоджує акумулятор і зменшує його швидкість розрядки/зарядки та термін служби.

Для повноцінної реалізації потенціалу цинкових акумуляторів як економічно ефективної альтернативи літій-іонним потрібні постійні дослідження та вдосконалення. Вченим варто зосередитися на розробці нових катодних матеріалів з високою ємністю, стабільними циклічними характеристиками і швидкою кінетикою, а також більш стабільних електролітів.

У виданні зазначили, що окрім традиційних конструкцій, слід досліджувати інноваційні архітектури, як-от гібридні батареї та окислювально-відновні батареї, що використовують цинкову хімію. Передові обчислювальні технології можуть допомогти оптимізувати конструкцію акумуляторів.

Нагадаємо, дослідники з Індійського інституту науки (IISc) створили інноваційний цинково-повітряний акумулятор, який виробляє перекис водню у недорогий та екологічно чистий спосіб.

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