Punjive cink baterije: prevazilaženje izazova i otključavanje mogućnosti za pohranu energije sljedeće-generacije

Budući da je litijum vrlo ograničen, fizički koncentrisan i ima mnogo problema sa sigurnošću (termički bijeg, požari); cink se mnogo više koristi, košta mnogo manje i nema sigurnosnih problema.

Cinkove baterije rade na zapaljivosti vodenih elektrolita i bruto tečnog elektrolita u rastvaraču, što predstavlja sigurnosni rizik povezan sa Li-ionskim ćelijama, koje koriste organske rastvarače; stoga, cink pruža visok teoretski volumetrijski kapacitet (5,855 Ah/L) i niske redoks potencijale, što je privlačno za primjene visoke{3}}energetske gustoće.

Već dugi niz godina (više od nekoliko) punjive baterije na bazi cinka (prvenstveno nikl cink i cink zrak) su ograničeni proizvodi zbog sljedeća tri glavna problema: formiranje dendrita, evolucija vodika zbog parazitske prirode reakcije i promjena oblika.

Formiranje dendrita se dešava sa cinkom tokom faze punjenja. Kada se cink baterije neravnomjerno talože, cink stvara dendritske strukture koje mogu proći kroz separator cinkove ćelije i uzrokovati kratki spoj.

Elektrohemijska reakcija koja se događa u ćeliji i proizvodnja plinovitog vodonika je još jedna sporedna reakcija koja rezultira gubitkom vlage u ćeliji što uzrokuje ograničen životni vijek ciklusa.

Oblik cinkove elektrode će se promijeniti tokom ciklusa kako se aktivni materijal redistribuira i rezultira gubitkom kapaciteta i mehaničkim kvarom.

Cink baterije su obično imale ograničenje u pogledu broja ciklusa na manje od 200 - 300 dubokih ciklusa u poređenju sa litijum-jonskim baterijama koje daju 1000 - 2000 ciklusa.

Talas interdisciplinarnog istraživanja - koji obuhvata nauku o materijalima, nanoinženjering i elektrohemiju - sistematski uklanja ove barijere.

3D strukturirane cink anode:Istraživači sa Univerziteta u Marylandu i Laboratorije za istraživanje američke vojske razvili su porozne cinkove anode-slične sunđera koje se prilagođavaju promjenama volumena i podstiču ravnomjerno taloženje, u suštini eliminirajući rast dendrita. Ove anode su pokazale više od 1500 ciklusa na velikoj dubini pražnjenja.

Aditivi za elektrolite i "cink{0}}fobični" premazi:Dodavanje organskih ili neorganskih aditiva u tragovima (npr. natrijum dodecil sulfat, bizmut oksid) u elektrolit modifikuje morfologiju taloženja cinka. Napredniji pristupi koriste "cink-fobične" premaze koji usmjeravaju taloženje u ravne, guste slojeve.

Visoko{0}}Razdjelnici visokih performansi:Polimer-keramički kompozitni separator uključuje nove separatore ojačane nanocelulozom- ili metalnim-Organic Framework (MOF)-koji sprječavaju prodiranje dendrita, a istovremeno omogućavaju brzi jonski transport.

{0}}Suzbijanje bočnih reakcija:Istraživači su dokazali da je optimiziranjem upotrebe pH pufera i dodavanjem inhibitora korozije (kao što su jedinjenja indija ili kalaja), došlo do značajnog smanjenja evolucije vodonika zbog nepredviđenih elektrohemijskih reakcija u nedavno razvijenim prototipima vodoničnih baterija sa operativnom kulombičkom efikasnošću od preko 99,7%.

Sa ovim napretkom, punjive cink baterije pronalaze svoje komercijalne slatke točke - ne direktno-na-s Li- ionima u električnim vozilima, već na ogromnim, nedovoljno opskrbljenim tržištima.

1. Stacionarna pohrana energije (mrežna i stambena)

Dugo-pohrana (4–12 sati) ostaje izazov zbog visokih troškova litijum{3}}jona po kilovat-sati upotrebe. Nasuprot tome, baterije na bazi cinka - posebno one koje koriste cink-vazduh ili cink-brom hemije - imaju niže troškove sirovina i dokazale su se kao nezapaljive, što ih čini odličnim za upotrebu{{12}{12}{12} {1}plus{1} rezervnog napajanja{3} aplikacije. Mnoga start-up preduzeća{16}}u Kini i SAD-u, uključujući Eos Energy Enterprises i Zinc8 Energy Solutions, počela su sa primjenom baterijskih sistema{20}}baziranih na megavatu.

2. Nosivi i IoT uređaji

Fleksibilne, tanke{0}}baterije od cinka su odlični kandidati za upotrebu u uređajima kao što su pametni satovi, medicinski flasteri i senzori okoliša. Vodeni elektrolit u ovim baterijama je bezbjedan za upotrebu na ljudskoj koži, a sposobnost baterija se može štampati i na fleksibilnim podlogama trebalo bi da dovede do višestrukih proizvodnih metoda kojima se litijum{2}}ion ne može parirati. Na primjer, istraživači sa Nacionalnog univerziteta u Singapuru su nedavno odštampali punjivu cink bateriju na kontaktno sočivo.

3. Zamjena za olovnu{1}}kiselinu

Olovne{0}}kiselinske baterije su još uvijek dominantan tip baterija za korištenje kao rezervno napajanje, za upotrebu u kolicima za golf i viljuškarima, i između ostalog; međutim, oni obično imaju vrlo nisku gustoću energije i predstavljaju značajnu prijetnju okolišu zbog svoje toksičnosti. S druge strane, utvrđeno je da cink baterije pohranjuju dvostruku količinu energije u odnosu na olovnu-kiselinsku bateriju kada se uporede, obično će imati mnogo duži vijek trajanja od olovnih{3}}kiselinskih baterija i mogu se reciklirati bez ikakvih opasnih materijala povezanih s olovom. Većina proizvođača viljuškara trenutno testira cink-nikl baterije.
 

Iako je napredak nesporan, komercijalizacija ostaje u ranim inningima. Ključni preostali izazovi uključuju:

Povećanje ujednačene proizvodnje elektroda- laboratorijska otkrića često se oslanjaju na egzotične aditive ili složenu obradu koja povećava troškove.

Standardizacija- za razliku od Li-iona sa dobro-utvrđenim formatima 18650/21700, cink baterijama nedostaje industrijski{5}}široki faktor oblika.

Dugoročni-životni vijek kalendara- većina objavljenih studija pokazuje životni ciklus, ali stvarno-svjetsko starenje pod djelomičnim punjenjem, temperaturnim promjenama i povremenom upotrebom ostaje nedokazano.

Međutim, ulaganja se ubrzavaju. Samo u 2025., rizično finansiranje pokretanja cink baterija premašilo je 400 miliona dolara, a "Long Duration Storage Shot" američkog Ministarstva energetike posebno cilja na cink kao prioritetnu hemiju. Kina je, u međuvremenu, uključila cink{6}}vazdušne baterije u svoj 14. peto-godišnji plan za skladištenje energije.

Iako su cink baterije označene kao drugi-sloj u odnosu na litijum-jonske, one ih neće "ubiti"; jednostavno će imati mnogo aplikacija za koje se smatralo da nisu kvalificirane za litijum ili za koje je litijum preskup u velikim razmerama ili čak potencijalno opasan kada se koristi u robi široke potrošnje. Kapitalizirajući karakteristike atributa cink baterija u kombinaciji s nedavnim napretkom, one će biti drugi temelj/blok u nastajanju ekosistema za pohranu energije nakon litijuma.