Bateries de zinc recarregables: superació de reptes i oportunitats per a l'emmagatzematge d'energia de nova-generació

Mentre que el liti és molt limitat, concentrat físicament i té molts problemes de seguretat (fuga tèrmica, incendis); El zinc té molt més ús, costa molt menys i no té cap problema de seguretat.

Les bateries de zinc funcionen amb electròlits aquosos i la combustibilitat del dissolvent d'electròlit líquid brut, que és un risc de seguretat associat a les cèl·lules d'ions de Li-, que utilitzen dissolvents orgànics; per tant, el zinc proporciona una gran capacitat volumètrica teòrica (5.855 Ah/L) i uns potencials redox baixos, per la qual cosa atractiu aplicacions d'alta-densitat d'energia.

Des de fa molts anys (més d'uns quants) les bateries recarregables a base de zinc (principalment níquel-zinc i zinc aire) han estat productes limitats a causa dels tres problemes principals següents: formació de dendrites, evolució d'hidrogen a causa de la naturalesa parasitària de la reacció i canvis de formes.

La formació de dendrites es produeix amb el zinc durant la fase de recàrrega. Quan es recarreguen les bateries de zinc els dipòsits desiguals, el zinc crea estructures dendrítiques que poden passar pel separador de la pila de zinc i provocar un curtcircuit.

La reacció electroquímica que es produeix a la cèl·lula i la producció d'hidrogen gasós és una altra reacció secundaria que provoca una pèrdua d'humitat a la cèl·lula que provoca un cicle de vida limitat.

La forma de l'elèctrode de zinc canviarà durant el procés de ciclisme a mesura que el material actiu es redistribueix i provoca una pèrdua de capacitat i una fallada mecànica.

Les bateries de zinc solen tenir una limitació pel que fa al nombre de cicles a menys de 200 - 300 cicles profunds en comparació amb les bateries d'ions de li-que proporcionen 1000 - 2000 cicles.

Una onada d'investigació interdisciplinària - que abasta la ciència dels materials, la nanoenginyeria i l'electroquímica - està desmuntant sistemàticament aquestes barreres.

Ànodes de zinc estructurat en 3D:Els investigadors de la Universitat de Maryland i el Laboratori d'Investigació de l'Exèrcit dels EUA van desenvolupar ànodes de zinc porosos, semblants a una esponja-, que s'adapten als canvis de volum i afavoreixen la deposició uniforme, eliminant essencialment el creixement de les dendrites. Aquests ànodes han demostrat més de 1.500 cicles a gran profunditat de descàrrega.

Additius electròlits i recobriments "-fòbics de zinc":L'addició de traces d'additius orgànics o inorgànics (per exemple, dodecilsulfat de sodi, òxid de bismut) a l'electròlit modifica la morfologia de la deposició de zinc. Els enfocaments més avançats utilitzen recobriments "-fòbics de zinc" que dirigeixen la deposició en capes planes i denses.

Separadors-d'alt rendiment:El separador compost de polímer-ceràmica incorpora nous separadors reforçats de nanocel·lulosa- o-Marc orgànic (MOF)- que impedeixen la penetració de les dendrites alhora que permeten un ràpid transport iònic.

Supressió de-reaccions laterals:Els investigadors han demostrat que optimitzant l'ús del pH del tampó i afegint inhibidors de corrosió (com ara compostos d'indi o estany), s'ha produït una disminució significativa de l'evolució d'hidrogen a partir de reaccions electroquímiques imprevistes en bateries d'hidrogen prototips recentment desenvolupades amb eficiències coulombiques operatives superiors al 99,7%.

Amb aquests avenços, les bateries de zinc recarregables estan trobant els seus punts dolços comercials - no de cara a cara amb ions de li-en els vehicles elèctrics, sinó en mercats massius i poc servits.

1. Emmagatzematge estacionari d'energia (xarxa i residencial)

L'emmagatzematge de llarga-durada (4-12 hores) continua sent un repte a causa dels elevats costos dels ions de liti-per quilowatt-hora d'ús. En canvi, les bateries basades en zinc--, especialment les que utilitzen la química de zinc-aire o zinc-brom - tenen costos de matèries primeres més baixos i s'han demostrat que no són-inflamables, la qual cosa les fa ideals per a aplicacions de còpia de seguretat a escala-utilitat i d'emmagatzematge{13}}}{44}{13}}{101}{101} Moltes-empreses emergents a la Xina i als EUA, incloses Eos Energy Enterprises i Zinc8 Energy Solutions, han començat a desplegar sistemes de bateries a escala-de megawatts.

2. Dispositius wearables i IoT

Les bateries de zinc de pel·lícula -flexible i fina són candidates excel·lents per utilitzar-les en dispositius com ara rellotges intel·ligents, pegats mèdics i sensors ambientals. L'electròlit aquós d'aquestes bateries és segur per utilitzar-lo a la pell humana, i la capacitat de les bateries també es poden imprimir en substrats flexibles hauria de donar lloc a diversos mètodes de fabricació que els ions de liti-no poden igualar. Per exemple, investigadors de la Universitat Nacional de Singapur van imprimir recentment una bateria de zinc recarregable en una lent de contacte.

3. Substitut de plom-àcid

Les bateries de plom-àcid segueixen sent el tipus de bateries predominant per utilitzar-les com a energia de reserva, per utilitzar-les en carros de golf i carretons elevadors, entre d'altres; no obstant això, normalment tenen una densitat energètica molt baixa i representen amenaces importants per al medi ambient a causa de la seva toxicitat. D'altra banda, s'ha trobat que les bateries de zinc emmagatzemen el doble d'energia en comparació amb una bateria de plom-àcid, normalment tindran una vida útil molt més llarga que les bateries de plom-àcid i es podrien reciclar sense cap dels materials perillosos associats amb el plom. Actualment, la majoria dels fabricants de carretons elevadors estan provant paquets de bateries de zinc-níquel.
 

Tot i que el progrés és innegable, la comercialització es manté a les primeres entrades. Els principals reptes restants inclouen:

Ampliació de la fabricació uniforme d'elèctrodes- Els avenços del laboratori sovint depenen d'additius exòtics o de processaments complexos que augmenten els costos.

Normalització- a diferència de l'ió de li-i amb formats-ben establerts 18650/21700, les bateries de zinc no tenen factors de forma amplis-de la indústria.

Vida del calendari-a llarg terminiLa majoria dels estudis publicats de - mostren el cicle de vida, però l'envelliment-real amb càrrega parcial, canvis de temperatura i ús intermitent encara no s'ha demostrat.

No obstant això, la inversió s'està accelerant. Només l'any 2025, el finançament de risc per a les iniciatives de bateries de zinc va superar els 400 milions de dòlars, i el "Long Duration Storage Shot" del Departament d'Energia dels EUA s'orienta específicament al zinc com a química prioritària. Mentrestant, la Xina ha inclòs les bateries de zinc-aire al seu 14è Pla-quinquennal per a l'emmagatzematge d'energia.

Tot i que les bateries de zinc estan designades com a segon-nivell de l'ió de liti, no les "mataran"; simplement tindran moltes aplicacions que s'han considerat no qualificades per al liti o per a les quals el liti és massa car a gran escala o fins i tot potencialment perillós quan s'utilitza en béns de consum. En aprofitar les característiques de l'atribut de les bateries de zinc juntament amb els avenços recents, seran la segona base/bloc de l'ecosistema emergent d'emmagatzematge d'energia posterior al liti.