Akumulatory cynkowo-powietrzne

Połączenie cynku z powietrzem jako koncepcja do gromadzenia energii jest stuletnią technologią akumulatorów, ale ostatnio wzbudziła realne zainteresowanie. Dzięki większej pojemności magazynowej za ułamek ceny w porównaniu z litowo-jonowymi, akumulatory cynkowo-powietrzne stanowią jedną z najbardziej realnych przyszłych opcji zasilania pojazdów elektrycznych.

naukowiec pracujący nad baterią cynkowo-powietrzną w ZInc8
fot. Zinc8

Akumulatory cynkowo-powietrzne

Od czasu wynalezienia przez Voltę pierwszej baterii w 1796 r. metaliczny cynk był materiałem elektrody ujemnej z wyboru w wielu systemach pierwotnych, takich jak cynk-węgiel, cynk-dwutlenek manganu, cynk-nikiel i cynk-powietrze. Cynk posiada zestaw atrybutów obejmujący niską masę równoważną, wysoką gęstość energii właściwej i niską toksyczność. Ponadto, jest metalem najbardziej elektrododatnim, który jest stosunkowo stabilny w mediach wodnych i alkalicznych bez znaczącej korozji.

Ograniczenie w komercyjnym rozwoju pojazdów elektrycznych (EV) można w większości przypisać akumulatorowi. Koszt baterii litowo-jonowych jest zbyt wysoki, a gęstość energii tańszych magazynów energii, takich jak akumulator kwasowo-ołowiowy, jest zbyt niska. W przypadku tego rodzaju baterii występują również problemy związane z ochroną środowiska i bezpieczeństwem.

Budowa baterii Zn-Air

Schematycznie przedstawia podstawową konfigurację typowej baterii Zn – Air na rysunku poniżej:

schemat działania baterii cynkowo-powietrznej
źródło: researchgate.net

Składa się z porowatej katody powietrznej i anody metalicznej Zn, oddzielonych za pomocą separatora membranowego i wypełnionych stężonym elektrolitem alkalicznym.

Podczas wyładowania O2 z otaczającej atmosfery przenika do porowatej katody i ulega redukcji na powierzchni elektrokatalizatora; w międzyczasie metaliczna anoda Zn jest utleniana do rozpuszczalnych jonów cynkowych.

W obecności odpowiedniego dwufunkcyjnego elektrokatalizatora tlenowego powyższą reakcję można odwrócić z wydzielaniem O2 na katodzie i uwolnieniem go z powrotem do atmosfery, a metaliczny Zn jest osadzany na anodzie. W wielu eksperymentach laboratoryjnych do katody podawany jest bezpośrednio gaz O2 zamiast powietrza.

Korzyści z użytkowania tej technologii

Magazyny energii cynkowo-powietrzne mają bardzo wysokie teoretyczne gęstości energii
(> 900 Wh/kg) i są wykonane z tanich, powszechnych materiałów (cynk, wodorotlenek potasu, węgiel, mangan). Koszt cynku jest bliski 1€/kWh w oparciu o aktualne ceny cynku (około 1000€/tonę) (więcej o cenach metali), a elektrodę powietrzną można wyprodukować już za 18€/m².

Baterie cynkowo-powietrzne mogłyby być potencjalnie produkowane po niższych kosztach niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, które są obecnie najtańszą technologią. Światowe złoża cynku są szacowane na trzysta razy większe niż litu, a zatem problem z ograniczonymi zasobami jest mniejszy.

Akumulatory cynkowo-powietrzne mają dużą teoretyczną gęstość energii i potencjalnie bardzo niskie koszty produkcji w porównaniu z istniejącą technologią litowo-jonową. Jednak ich pełny potencjał nie został wykorzystany ze względu na wyzwania związane z katodami powietrznymi i anodami Zn.

Katody powietrzne są konwencjonalnie ograniczającymi osiągi elektrodami baterii cynkowo-powietrznych. Są one konstruowane przez równomierne ładowanie odpowiednich elektrokatalizatorów na porowate warstwy dyfuzyjne, które mają zrównoważone właściwości hydrofobowe (zatrzymujące wodę) i hydrofilowe (posiada zdolność przyciągania substancji o charakterze polarnym). wysoka prędkość i może potencjalnie wytrzymać dużą gęstość prądu. 

Potencjał wykorzystania technologii cynkowo-powietrznej

Akumulatory cynkowo-powietrzne zostały uznane za obiecujące systemy dla dużej energii i większej mocy, ale technologia nie odniosła sukcesu komercyjnego ze względu na niską żywotność elektrody cynkowej oraz duży nadpotencjał dwufunkcyjnej elektrody powietrznej, który określa jej niską gęstość mocy i niską sprawność w obie strony.

W ostatnich latach wiele wysiłków skupiono na opracowaniu wysokosprawnych elektrokatalizatorów dwufunkcyjnych na bazie metali nieszlachetnych, głównie na bazie tlenków metali. Niemniej jednak, ze względu na półprzewodnikowy charakter materiałów z tlenków metali, do promowania transferu elektronów stosuje się węgiel jako nośnik przewodzący (więcej o zastosowaniu węgla w bateriach powietrznych).

Baterie cynkowo-powietrzne mają wysoką teoretyczną gęstość energii równą 1086 Wh/kg (łącznie z tlenem), około pięciokrotnie wyższą niż obecna technologia litowo-jonowa. Potencjalnie można je wyprodukować przy bardzo niskich kosztach około dwa rzędy wielkości mniej niż litowo-jonowe.

W wielu zastosowaniach akumulatory cynkowo-powietrzne oferują najwyższą dostępną gęstość energii spośród wszystkich systemów akumulatorów podstawowych. Często są one zalecane jako najbardziej opłacalna opcja, zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym, w celu zastąpienia akumulatorów litowo-jonowych w przyszłych pojazdach elektrycznych (EV).

Pomimo ich wczesnego startu i dużego potencjału, rozwój baterii cynkowo-powietrznych był utrudniony przez problemy związane z metalową elektrodą i katalizatorem powietrznym. Jak dotąd, pierwotne baterie cynkowo-powietrzne były z największym powodzeniem wdrażane w zastosowaniach medycznych i telekomunikacyjnych.

Oprócz dużej gęstości energii wyróżniają się również niską mocą wyjściową (o 10 mW dla ogniw guzikowych aparatów słuchowych) ze względu na nieefektywność powietrza i dostępne katalizatory.

Produkcja akumulatorów cynkowo-powietrznych

Tworzenie baterii cynkowo-powietrznych doładowywanych elektrycznie wymaga opracowania cyklicznych elektrod cynkowych. Elektrochemia cynku w elektrolitach alkalicznych jest łatwo odwracalna, ale jego nierównomierne rozpuszczanie i osadzanie zwykle skutkuje zmianą kształtu elektrody lub wzrostem dendrytycznym podczas intensywnych cykli ładowania i rozładowania, co jest szkodliwe dla wydajności akumulatora i jego żywotności.

Separator w bateriach fizycznie oddziela elektrody dodatnią i ujemną. Jest składnikiem nieaktywnym elektrochemicznie, ale ma bezpośredni wpływ na kluczowe parametry baterii. Separatory do baterii cynkowo-powietrznych muszą mieć niską rezystancję jonową i wysoką oporność elektryczną. Powinny mieć wysoką zdolność adsorpcji elektrolitu alkalicznego, ale wykazywać wystarczającą odporność chemiczną na elektrolit korozyjny i utlenianie. Ponadto, ze względu na możliwy wzrost dendrytyczny osadów cynku w akumulatorach, separatory powinny również charakteryzować się dużą wytrzymałością strukturalną na perforację dendrytów cynkowych ze względu na bezpieczeństwo i długotrwałą niezawodność. 

Dwufunkcyjne elektrokatalizatory powietrza

W przypadku akumulatorów metalowo-powietrznych elektrody powietrzne powinny być zdolne do wydajnej katalizy zarówno reakcji redukcji tlenu, jak i reakcji wydzielania tlenu. Można to osiągnąć albo przez zastosowanie kombinacji wielu funkcjonalnych elementów, albo przez zastosowanie dwufunkcyjnego tlenu. tj. katalizatora, który może pełnić obie role
(więcej o takich elektrokatalizatorów powietrzna).

Innym podejściem do przezwyciężenia problemów związanych z doładowywaniem elektrycznym są akumulatory mechaniczne, w których zużyta elektroda cynkowa i elektrolit są fizycznie usuwane i wymieniane. Akumulatory doładowywane mechanicznie są akumulatorami pierwotnymi nadającymi się do regeneracji, dzięki czemu mogą wykorzystywać stosunkowo proste katalizatory jednofunkcyjne, które muszą działać tylko w trybie rozładowania, i mogą uniknąć problematycznego osadzania się cynku dendrytycznego, na jakie napotyka większość akumulatorów doładowywanych elektrycznie.

W późnych latach sześćdziesiątych XX wieku rozważano ładowanie mechaniczne baterii cynkowo-powietrznych do zasilania przenośnego wojskowego sprzętu elektronicznego ze względu na ich parametry związane z gęstością energii i łatwością ładowania.

Dobór elektrolitu do baterii cynkowo-powietrznej

Ponieważ elektrochemia cynku jest ściśle związana z naturą elektrolitu, na który jest on narażony, główna strategia od starszych podejść do najnowszych osiągnięć koncentrowała się na poprawie odwracalności anody cynkowej poprzez dostrojenie właściwości elektrody i elektrolitu, dostosowując swoje właściwości do wymagań cynku, a na koniec do specyfikacji baterii i jej przyszłego zastosowania.

Spośród różnych typów baterii metalowo-powietrznych wodno-cynkowo-powietrzna technologia jest stosunkowo dojrzałą technologią i daje największe nadzieje w przyszłych zastosowaniach energetycznych. Akumulatory wykonane w taki sposób są znane społeczności naukowej od końca XIX wieku. Produkty komercyjne zaczęły pojawiać się w latach 30. XX wieku.

Na ogół preferowane są wodne układy elektrolitów, ponieważ są one nieszkodliwe dla środowiska i tańsze. Jednak ewolucja wodoru jest nadal problemem do przezwyciężenia, ponieważ jest ona bliska osadzaniu się cynku, a co za tym idzie, zmniejsza się wydajność akumulatora.

W akumulatorach cynkowo-powietrznych powszechnie stosowano wodne elektrolity alkaliczne. Wodna natura, jak również zasadowość tego układu elektrolitów sprzyja wytrącaniu się nierozpuszczalnego węglanu, wzrostowi dendrytu i procesowi zmiany kształtu cynku lub korozji cynku, a wszystko to ogranicza wydajność wtórnych baterii cynkowo-powietrznych.

Rozwój niewodnego elektrolitu powinien zapewnić dobre rozpuszczanie cynku, dobre przewodnictwo jonowe, minimalizowanie lub unikanie stosowania lotnych i toksycznych rozpuszczalników i związków, polepszanie kontaktu (w przypadku stałych elektrolitów polimerowych) elektrody/elektrolitu podczas ładowania/rozładowywania.

Chociaż podjęto wielki wysiłek, aby złagodzić te szkodliwe problemy od czasu wynalezienia wtórnych technologii opartych na cynku, istnieje unikalne rozwiązanie pozwalające przezwyciężyć wszystkie te ograniczenia wodno-alkaliczne. Rodzaj elektrolitu minimalizuje lub pomija niektóre problemy związane z powszechnie stosowanym elektrolitem alkalicznym, będącym głównym dowodem na wydłużony cykl życia.

Jeśli zapotrzebowanie ma zapewnić stabilną gęstość energii przez długi okres czasu, wówczas utrata pojemności przez odpowiednie właściwości elektrolitu poprzez dodatki jest dobrze kompensowana, podczas gdy akumulator może dostarczać taką energię przez wydłużony cykl życia. Podejściem do polepszenia na przykład cyklu życia baterii cynkowo-powietrznej doładowywanej elektrycznie jest użycie niealkalicznego elektrolitu.

Podsumowując, dobór elektrolitu będzie zależał głównie od specyfikacji i zastosowania akumulatora użytkownika końcowego. Tak więc, chociaż baterie cynkowe oparte na alkalicznych elektrolitach wodnych są dojrzałą technologią do pierwotnego zastosowania, jej wdrażanie w systemach wtórnych jest nadal w toku, aby osiągnąć poziom komercyjny

Przyszłość akumulatorów cynkowo-powietrznych

Bateria Zn–Air jest wykonywana z obfitych i przyjaznych dla środowiska materiałów, bezpieczna, tania i nadająca się do recyklingu. W wyniku intensywnych prac badawczych w ostatnim dziesięcioleciu jej wydajność nie jest już ograniczana przez katody powietrzne i elektrokatalizatory. Uważa się, że szybkie przeniesienie uwagi badawczej z katod powietrznych na anody Zn przyniosłoby zatem ogromne korzyści tego typu baterii i ostatecznie umożliwiłoby pełne wykorzystanie potencjału tej stuletniej technologii.

Zainteresowanie ładowalnymi bateriami Zn-air stale rośnie. Przyszłość wygląda obiecująco, a wysiłki poświęcone rozwojowi tego systemu magazynowania energii rosną. Nadszedł czas, aby naukowcy i firmy podjęli współpracę, aby urzeczywistnić tę technologię. Musimy magazynować coraz więcej energii, a ten system ma wiele zalet w zastosowaniach stacjonarnych, w których mogą znacznie zmniejszyć wydatki.

Baza wiedzy

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

Izabela Kędroń – prezes zarządu i właściciel biura projektowego Sun Hunter.

Zielona rewolucja w Polsce jest faktem

Rozmowa z Izabelą Kędroń, prezes zarządu Sun Hunter, o rozwoju fotowoltaiki w Polsce i najciekawszych projektach zrealizowanych przez jej firmę. Niedawno wzięła Pani udział w...
Dr inż. Andrzej Grzybowski

Czy magazyny energii przyspieszą dekarbonizację?

Rozmowa dr inż. Andrzejem Grzybowskim o zmianach klimatycznych oraz roli OZE i magazynów energii w dekarbonizacji. W ostatnich latach dużo słyszymy o wpływie ludzkiej działalności...
Borys Pawliczak, Dott

Wychodzimy naprzeciw oczekiwaniom eko-konsumentów

Borys Pawliczak, dyrektor generalny Dott w Polsce dla e-magazyny Dlaczego zdecydowali się Państwo składać hulajnogi w Europie? Nadmierna emisja CO2 do atmosfery, jest główną przyczyną...
Artur Koziński, Product Manager Inteligentnej Stacji Transformatorowej z magazynem energii SPS, Kierownik w Dziale Rozwoju Nowych Technologii w ZPUE

Ile żyć ma bateria? – Artur Koziński

Kilka miesięcy temu rozmawialiśmy z Arturem Kozińskim z ZPUE o zaawansowanych projektach z magazynami energii i wielokrotnie nagradzanej SPS (Smart Power Station). Dziś przyjrzymy...
Janusz Kurpas

Transformacja energetyki jest faktem – Janusz Kurpas

Rozmowa z Januszem Kurpasem, Energoprojekt Katowice S.A., o transformacji energetycznej, rosnącym udziale OZE w miksie energetycznym i przyszłości magazynowania energii.  Czy jesteśmy świadkami transformacji energetycznej?...

BĄDŹMY W KONTAKCIE

Baza wiedzy