Taaslaetavad tsinkpatareid: väljakutsete ületamine ja võimaluste avamine järgmise-generatsiooni energia salvestamiseks

arvestades, et liitium on väga piiratud, füüsiliselt kontsentreeritud ja sellel on palju turvaprobleeme (termiline põgenemine, tulekahjud); tsinki kasutatakse palju rohkem, see maksab palju vähem ja sellel pole turvaprobleeme.

Tsinkpatareid mõjutavad veepõhist elektrolüüti ja vedelate elektrolüütide lahustite põlevust, mis on orgaanilisi lahusteid kasutavate liitium{0}ioonelementidega seotud turvarisk; Seetõttu tagab tsink suure teoreetilise mahutavuse (5855 Ah/L) ja madala redokspotentsiaali, sobides seega suure-energiatihedusega rakenduste jaoks.

Tsingil põhinevad laetavad akud (peamiselt nikkeltsink ja tsinkõhk) on juba palju aastaid olnud piiratud toodetega järgmiste kolme peamise probleemi tõttu: dendriidi moodustumine, vesiniku eraldumine reaktsiooni parasiitide tõttu ja kuju muutumine.

Dendriitide moodustumine toimub koos tsingiga laadimisfaasis. Tsinkpatareide laadimisel sadestub ebaühtlaselt tsink dendriitstruktuurid, mis võivad minna läbi tsingielemendi separaatori ja põhjustada lühise.

Rakus toimuv elektrokeemiline reaktsioon ja gaasilise vesiniku tootmine on veel üks kõrvalreaktsioon, mille tulemuseks on niiskuse kadu rakus, mis põhjustab piiratud tsükli eluiga.

Tsinkelektroodi kuju muutub tsükliprotsessi käigus aktiivse materjali ümberjaotumisel ning tulemuseks on võimsuse vähenemine ja mehaaniline rike.

Tsinkpatareidel on tavaliselt olnud tsüklite arvu piirang vähem kui 200 - 300 sügavale tsüklile, võrreldes liitium--ioonakudega, mis pakuvad 1000 - 2000 tsüklit.

Interdistsiplinaarsete uuringute laine -, mis hõlmab materjaliteadust, nanotehnoloogiat ja elektrokeemiat -, lammutab neid tõkkeid süstemaatiliselt.

3D struktureeritud tsinkanoodid:Marylandi ülikooli ja USA armee uurimislabori teadlased töötasid välja poorsed käsnataolised tsinkanoodid, mis kohandavad mahu muutusi ja soodustavad ühtlast ladestumist, kõrvaldades sisuliselt dendriidi kasvu. Need anoodid on näidanud üle 1500 tsükli suure tühjenemissügavusega.

Elektrolüütide lisandid ja tsink{0}}foobsed katted:Väikeste koguste orgaaniliste või anorgaaniliste lisandite (nt naatriumdodetsüülsulfaat, vismutoksiid) lisamine elektrolüüdile muudab tsingi sadestumise morfoloogiat. Täiustatud lähenemisviisid kasutavad "tsink-foobseid" katteid, mis juhivad ladestumist tasapinnalisteks tihedateks kihtideks.

Suure{0}}jõudlusega eraldajad:Polümeer-keraamiline komposiitseparaator sisaldab uusi nanotselluloosi- või Metal-Organic Framework (MOF)-tugevdatud separaatoreid, mis takistavad dendriidi läbitungimist, võimaldades samas kiiret ioonide transporti.

Külg{0}}reaktsiooni summutamine:Teadlased on tõestanud, et puhvri pH kasutamise optimeerimise ja korrosiooniinhibiitorite (nagu indiumi- või tinaühendid) lisamisega on hiljuti välja töötatud prototüüpsetes vesinikupatareides, mille kulontõhusus on üle 99,7%, märgatavalt vähenenud vesiniku eraldumine ettenägematu(te)st elektrokeemilisest reaktsioonist (reaktsioonidest).

Tänu nendele edusammudele leiavad taaslaetavad tsinkpatareid oma kaubanduslikud magusad kohad - mitte elektrisõidukite liitium--ioonidega -, vaid massiivsetel, alateenindatud turgudel.

1. Statsionaarne energiasalvesti (võrk ja elamu)

Pikk-ladustusaeg (4–12 tundi) on endiselt väljakutse liitiumioonide kõrgete kulude tõttu kilovatt-tundi kasutuse kohta. Seevastu tsink-põhistel patareidel -, eriti neil, mis kasutavad tsink-õhku või tsink-broomi keemiat -, on toorainekulud madalamad ja need on osutunud mitte-süttivaks, mistõttu sobivad need suurepäraselt utiliseerimiseks-{{1{}}}}} Paljud idufirmad Hiinas ja USA-s, sealhulgas Eos Energy Enterprises ja Zinc8 Energy Solutions, on alustanud megavatise mastaabis{20}}põhiste akusüsteemide juurutamist.

2. Kantavad seadmed ja IoT-seadmed

Paindlikud, õhukesed{0}}kilega tsinkpatareid on suurepärased kandidaadid kasutamiseks sellistes seadmetes nagu nutikellad, meditsiinilised plaastrid ja keskkonnaandurid. Nendes akudes sisalduv veepõhine elektrolüüt on inimese nahal kasutamiseks ohutu ja akusid saab printida ka painduvatele aluspindadele, mis peaks viima mitmete tootmismeetoditeni, millele liitium{2}}ioonid ei sobi. Näiteks Singapuri riikliku ülikooli teadlased printisid hiljuti kontaktläätsedele laetava tsinkpatarei.

3. Plii-happe asendamine

Plii-happeakud on endiselt valdav akutüüp, mida kasutatakse varutoiteallikana, golfikärudes ja tõstukites ning muu hulgas; Siiski on neil tavaliselt väga madal energiatihedus ja need kujutavad oma toksilisuse tõttu olulist ohtu keskkonnale. Teisest küljest on leitud, et tsinkpatareid salvestavad võrreldes plii-happeakudega kaks korda rohkem energiat, neil on tavaliselt palju pikem tööiga kui plii-happeakudel ja neid saab ringlusse võtta ilma pliiga seotud ohtlike materjalideta. Enamik tõstukite tootjaid katsetab praegu tsink{5}}nikkelakusid.
 

Kuigi edasiminek on vaieldamatu, jääb kommertsialiseerimine alles algusjärgus. Peamised ülejäänud väljakutsed hõlmavad järgmist:

Ühtse elektroodide valmistamise suurendamine- labori läbimurded põhinevad sageli eksootilistel lisanditel või keerulisel töötlemisel, mis suurendavad kulusid.

Standardimine- Erinevalt Li-ioonidest, millel on väljakujunenud-18650/21700 vormingud, puuduvad tsinkpatareidel tööstuslikud-vormitegurid.

Pikaajaline{0}}kalendri eluiga- enamik avaldatud uuringuid näitavad tsükli kestust, kuid tegelik vananemine-osalise laadimise, temperatuurikõikumiste ja vahelduva kasutamise korral on endiselt tõestamata.

Investeerimine aga kiireneb. Ainuüksi 2025. aastal ületas tsinkpatareide käivitamise riskikapitali rahastamine 400 miljonit dollarit ja USA energeetikaministeeriumi pikaajaline ladustamisvõte on suunatud konkreetselt tsinkile kui prioriteetsele keemiale. Hiina on samal ajal lisanud tsink-õhkpatareid oma energia salvestamise 14. viie-aastaplaani.

Kuigi tsinkpatareid on määratud liitiumioon{0}}järgu teiseks, ei tapa need neid; neil on lihtsalt palju rakendusi, mida on peetud liitiumi jaoks sobimatuks või mille jaoks liitium on suures mahus liiga kulukas või tarbekaupades kasutamisel isegi potentsiaalselt ohtlik. Kasutades ära tsinkpatareide omadusi koos hiljutiste edusammudega, on need liitiumijärgse energiasalvestuse ökosüsteemi teine ​​alus/plokk.