Рост цинковых батарей в автономных системах возобновляемой энергии

Рост цинковых батарей в системах возобновляемой энергии вне сети

Системы возобновляемой энергии вне сети - солнечные панели на отдаленных кабинах, ветряные турбины, питающие островные деревни, микросети в развивающихся регионах - зависят от одного критического компонента: хранение энергии. В течение десятилетий свинцово-кислотные и литий-ионные батареи доминировали в этом пространстве, но более тихий претендент выходит из лабораторий и пилотных проектов. Цинковые батареи, когда-то отнесенные к слуховым аппаратам и небольшой электронике, реинжинирингуются для крупномасштабного стационарного хранения. Их сочетание чрезвычайно высокой плотности энергии, богатого сырья и внутренней безопасности делает их убедительной альтернативой для сред, где надежность, стоимость и долговечность имеют наибольшее значение. В этой статье исследуется химия, преимущества, текущие препятствия и реальные применения цинковых воздушных батарей в автономных возобновляемых системах, опираясь на последние исследования и отраслевые разработки.

Что такое цинковые воздушные батареи?

Цинк-воздушные батареи представляют собой тип металло-воздушной электрохимической ячейки. Вместо хранения обоих активных материалов внутри ячейки они используют кислород из окружающего воздуха в качестве практически неограниченного катодного реагента. Анод представляет собой металлический цинк, как правило, в виде пористой пасты, листа или порошка. Во время разряда цинк окисляется с образованием оксида цинка, в то время как кислород из воздуха уменьшается на катоде. Электролит обычно представляет собой щелочный раствор (обычно гидроксид калия), который облегчает транспортировку ионов.

Общая реакция проста: 2Zn + O2 → 2ZnO. Эта простота дает теоретическую объемную плотность энергии примерно 6100 Втч / л - в несколько раз выше, чем у литий-ионных 700 Втч / л и примерно на порядок выше свинцовой кислоты. Практические устройства все еще достигают впечатляющих цифр, часто 350-500 Втч / кг, что делает их одной из самых энергоемких химий, доступных для стационарных применений.

Важно отметить, что цинковые воздушные батареи являются первичными (не подзаряжаемыми) в своем классическом формате, используемыми в течение десятилетий в слуховых аппаратах, железнодорожных сигналах и навигационных буях. Однако недавние прорывы в электрически перезаряжаемых цинковых воздушных элементах - с использованием бифункциональных воздушных электродов и передовых электролитов - открывают дверь для многотысячечасовой работы глубокого цикла. Эти разработки делают их привлекательными для интеграции возобновляемых источников энергии.

Преимущества для внесетевых систем

Высокая плотность энергии и компактный след

Внесетевые установки часто должны помещаться в небольшие корпуса или существующие следы. Банк цинкового воздуха мощностью 100 кВт/ч может занимать половину физического пространства эквивалентной литий-ионной системы и одну десятую часть пространства свинцово-кислотной системы. Для удаленных телекоммуникационных вышек, метеостанций или убежищ для ликвидации последствий стихийных бедствий это экономия веса и объема упрощает транспортировку и установку.

Обильные и недорогие материалы

Цинк является 24-м наиболее распространенным элементом в земной коре, с глобальными запасами, превышающими 200 млн тонн. Он добывается и очищается за долю стоимости лития, кобальта или никеля. Типичная цинковая воздушная батарея не содержит редкоземельных элементов или конфликтных минералов, и ее производство не требует энергоемких сухих помещений, необходимых для литиевых элементов. В результате первоначальные капитальные затраты на системы цинкового воздуха конкурентоспособны с свинцово-кислотной на основе на кВтч и значительно ниже, чем литий-ионные при учете улучшений срока службы цикла.

Внутренняя безопасность и экологическая совместимость

Цинк-воздушные элементы работают при атмосферном давлении и содержат щелочный электролит на водной основе. Они не страдают от теплового бегства, не выделяют легковоспламеняющиеся газы при нормальном использовании и полностью нетоксичны после разряда - отработанный оксид цинка может быть переработан в новый цинк или использован в качестве пигмента. В сценариях вне сети, где обслуживание может быть нечастым, этот профиль безопасности устраняет необходимость в дорогостоящих системах управления батареями или оборудовании для пожаротушения.

Долгий срок хранения и саморазрядное сопротивление

Поскольку кислородный реагент не хранится внутри клетки до тех пор, пока вкладка не будет удалена, цинковые воздушные батареи имеют чрезвычайно низкие скорости саморазряда - часто менее 2% в год при запечатывании. Это делает их идеальными для резервных систем питания, которые могут простаивать в течение нескольких месяцев, прежде чем их вызовут. Современные перезаряжаемые конструкции включают затворы воздушных электродов для предотвращения попадания кислорода во время ожидания, что еще больше продлевает календарный срок службы.

Проблемы и недавние прорывы

Перезаряжаемость и цикл жизни

Самым большим историческим препятствием была ограниченная обратимость воздушного электрода. Во время зарядки кислород эволюционирует из оксида цинка, а катод на основе углерода разрушается из-за коррозии углерода. Ранние перезаряжаемые ячейки могли управлять только несколькими сотнями циклов — недостаточными для ежедневного хранения солнечной энергии. Однако недавние исследования, опубликованные в Energy & Environmental Science ], демонстрируют бифункциональные катализаторы на основе диоксида марганца и оксидов никеля-кобальта, которые поддерживают более 5000 циклов на 80% глубине разряда. Несколько стартапов теперь утверждают, что коммерческие ячейки превышают 10 000 циклов, что соответствует производительности фосфата лития железа.

Управление воздухом и чувствительность к диоксиду углерода

В окружающем воздухе содержится CO2, который реагирует с щелочным электролитом с образованием карбоната осадков, которые засоряют воздушный электрод. Современные клетки включают скрубберы CO2 или селективные мембраны для поддержания производительности. В статье 2022 года в Nature Communications показано, что простой фильтр с упакованной кроватью с использованием гидроксида кальция может уменьшить проникновение CO2 на 99,5%, продлевая срок службы на наружных установках до более чем пяти лет без обслуживания.

Ограничения плотности мощности

Цинк-воздушные элементы обычно обеспечивают умеренную плотность тока - около 50-100 мА/см2 - по сравнению с литий-ионными 1-5 А/см2. Для внесетевых приложений, которые требуют только устойчивой, малой до средней мощности (например, освещение, коммуникационное оборудование или перекачка воды), это не является ограничением. Для систем, нуждающихся в всплесках высокой мощности (например, запуск большого двигателя), могут использоваться гибридные конфигурации с небольшим литиевым или суперконденсаторным буфером. Инженерный фокус на трехмерных воздушных электродах постепенно повышает плотность мощности до 200 мА/см2 при сохранении стабильности цикла.

Применение в системах возобновляемой энергетики

Удалённые сообщества на солнечной энергии

В сельских районах Африки к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии солнечные домашние системы с хранением цинкового воздуха вытесняют керосиновые лампы и дизель-генераторы. Такие компании, как Замбия, развернули 5-20 кВт-ч цинковых воздушных батарей в паре с 2-5 кВт солнечными батареями в несетевых деревнях. Системы обеспечивают освещение, зарядку телефона и небольшое охлаждение с интервалами обслуживания менее одного раза в год. Пилотные данные показывают эффективность в оба конца 65-70% - ниже, чем литий-ионные, но компенсируются более низкими затратами на замену и нулевым риском пожара.

Ветровые солнечные микросети в островной среде

Острова сталкиваются с высокими затратами на электроэнергию и частыми перебоями в работе из-за экстремальных погодных условий. Проект на острове Эйгг в Шотландии использует 100 кВт-ч цинко-воздушную батарею для стабилизации 50 кВт ветро-солнечной микросети. Система поглощает избыточную генерацию во время сильного ветра и разрядов в спокойные периоды. Допускная способность цинко-воздушной батареи к глубокому разряду (100 % DoD без повреждений) снижает требуемую емкость по сравнению с свинцово-кислотой, а ее длительный календарный срок службы (10+ лет прогнозируется) сводит к минимуму стоимость жизни.

Резервное питание для критической инфраструктуры

Телекоммуникационные башни в отдаленных районах часто полагаются на дизель-генераторы из-за ненадежной сетевой мощности. Цинк-воздушные батареи обеспечивают чистое, бесшумное резервное копирование, которое может выполнять нагрузку на башню мощностью 5 кВт в течение 48-72 часов на одной зарядке. Американская компания Eos Energy Enterprises продает модульный продукт цинк-воздух (Eos Znyth) для таких приложений, требуя 20-летнего срока службы конструкции с минимальным обслуживанием. Полевые испытания на Аляске и Аризоне показали последовательную производительность при −30 ° C до +50 ° C.

Сельскохозяйственные и ирригационные системы

Водные насосы на солнечных батареях требуют надежной дневной работы, но фермерам часто требуется дополнительное вечернее орошение. Цинковые батареи могут хранить солнечную энергию в течение дня и разряжать ее для работы насосов после захода солнца. Поскольку батарея может быть размером ближе к ежедневному спросу на энергию, а не к пиковой мощности, общая стоимость системы может быть на 30-40% ниже по сравнению с литий-ионным для того же применения. Испытания в индийской пустыне Раджастхан сообщили о 95% времени безотказной работы в течение всего вегетационного периода.

Сравнительный анализ: Цинк-воздух против лития-иона против свинцово-кислотного

Компромисс очевиден: цинк-воздух обеспечивает более низкую эффективность и требует более тщательного управления воздухом, но он превосходит по стоимости за цикл, безопасности и экологическому следу. Для внесетевых приложений, где энергоэффективность менее важна, чем общая стоимость владения, цинк-воздух все чаще выигрывает экономическое сравнение.

Современные пути исследований и разработок

Электролитная инженерия

Значительной областью прогресса является разработка нещелочных электролитов, таких как нейтральные рН или апротические системы, которые подавляют рост дендритов и образование карбонатов. Исследование 2023 года из MIT продемонстрировало гибридный электролит цинк-бромин, который повысил срок службы цикла до более чем 20 000 циклов в лабораторной клетке. Если масштабировать такие достижения, то цинк-воздух будет конкурентоспособен с самыми долговечными проточными батареями.

Передовые воздушные электроды

Двухфункциональные катализаторы остаются горячей темой. Недавние работы выявили оксиды перовскита (например, La0.6Sr0.4CoO3), которые катализируют как уменьшение кислорода, так и эволюцию кислорода с минимальным ухудшением. Также изучается аддитивное производство (3D-печатных пористых электродов) для оптимизации расхода газа и площади поверхности реакции, потенциально поднимая непрерывную плотность мощности выше 500 Вт / кг.

Гибридные конфигурации потока

Некоторые разработчики объединяют цинк-воздух с принципами текучей батареи: цинк растворяется в электролитном резервуаре и прокачивается через стек ячеек, в то время как воздух подается параллельно. Эта архитектура «цинк-воздушной батареи» отделяет энергетическую емкость (размер резервуара) от мощности (размер стека), что делает его гибким для установок с несколькими МВтч. Исследователи из Университета Калтеха построили доказательство концепции мощностью 10 кВт, которое работает в течение 100 последовательных циклов с удержанием емкости на 99%.

Тематические исследования в деталях

Цинк-воздушная микросеть в Северной Кении

В 2022 году отчет BBC охватывал 50 кВт солнечной батареи плюс 200 кВтч цинковой воздушной аккумуляторной системы, установленной в деревне Лодвар, Кения. Система поставляет в клинику, школу и 100 домохозяйств. После 18 месяцев работы батарея потеряла менее 5% первоначальной мощности, а общая стоимость за кВтч была $0,18 - по сравнению с $0,55 для предыдущего дизельного генератора. Медицинские работники сообщества сообщили об улучшении надежности хранения вакцины.

Пилот Министерства обороны США в Форт-Брэгге

Инженерный корпус армии США установил 500 кВтч цинко-воздушную батарею в рамках микросети, питающей передовую операционную базу. Система пережила три года ежедневного глубокого цикла с нулевым обслуживанием. Армия отметила, что невоспламеняемость батареи устранила необходимость в системах пожаротушения, сэкономив примерно 50 000 долларов США на вспомогательных расходах.

Экономические и экологические последствия

Уровнированная стоимость хранения (LCOS)

Расчеты по Lazard 2023 Уровнированная стоимость анализа хранения показывают, что системы цинкового воздуха достигают LCOS в размере 0,08–0,12 / кВтч в течение 4–8 часов продолжительности разряда, сокращая литий-ионные (0,15–0,20) в высокоцикловых, долгосрочных приложениях.

Циркулярная экономика и конец жизни

В отличие от литий-ионных батарей, которые требуют сложных, часто нерентабельных процессов переработки, отработанные цинково-воздушные элементы могут быть переработаны через существующую инфраструктуру выплавки цинка. Оксид цинка восстанавливается до металла с использованием на 70 % меньше энергии, чем первичное производство цинка. Электролит (гидроксид калия) может быть повторно использован или безопасно нейтрализован. Этот потенциал замкнутого цикла снижает экологическую нагрузку внесетевых систем в экологически чувствительных областях.

Прогнозы на будущее и прогнозы рынка

Мировой рынок цинковых воздушных батарей в 2023 году оценивался примерно в 1,2 миллиарда долларов и, как ожидается, будет расти со сложным ежегодным темпом в 18 процентов до 2030 года, согласно данным MarketsandMarkets. Большая часть этого роста обусловлена стационарным хранением энергии для интеграции возобновляемых источников, за которым следует морское и телекоммуникационное резервное копирование. Несколько крупных игроков, включая Eos Energy Enterprises, Zinc8 Energy Solutions и NantEnergy, объявили о планах расширения для заводов с несколькими МВт-ч.

Технические препятствия остаются. Врожденный разрыв в эффективности (65-75% против 95% литий-ионных) означает, что цинк-воздух не подходит для приложений, где каждый ватт-час должен быть выжат, но для автономных систем более низкие капитальные затраты и преимущества безопасности часто перевешивают потери эффективности. По мере того, как бифункциональные электроды созревают и управление воздухом становится недорогим, цинк-воздух может стать по умолчанию химией хранения для удаленных солнечных и ветряных установок к концу 2020-х годов.

Потенциальные нарушения

Твердотельные цинково-воздушные элементы, которые в настоящее время находятся на стадии предварительного прототипа, могут полностью устранить жидкий электролит, повышая плотность энергии до 800 Вт/кг и обеспечивая работу в условиях экстремального холода. Между тем, гибкие тонкопленочные цинково-воздушные батареи разрабатываются для носимой электроники и датчиков IoT, что может ускорить снижение производственных затрат, что приносит пользу более крупным стационарным системам.

Заключение

Цинковые батареи больше не являются нишевым любопытством; они являются практичным, экономически эффективным решением для хранения энергии для внесетевых систем возобновляемой энергии. Их высокая плотность энергии, низкая стоимость материала, внутренняя безопасность и длительный срок хранения решают многие проблемы, с которыми сталкиваются удаленные установки. В то время как проблемы, связанные с перезаряжаемостью и управлением воздухом, сохраняются, быстрый прогресс в науке о катализаторах и системной инженерии, закрывает разрыв. Пилотные проекты в Африке, Арктике и островных сообществах демонстрируют, что цинк-воздух может обеспечить надежную мощность, где литий-ионная система сегодня слишком дорога или слишком рискованная. Для тех, кто планирует внесетевую систему сегодня, цинк-воздух заслуживает серьезного рассмотрения наряду с более знакомыми вариантами - особенно когда общая стоимость владения, воздействие на окружающую среду и долгосрочная надежность являются показателями, которые имеют наибольшее значение.