DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48368-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38744859
تاريخ النشر: 2024-05-14
المؤلف: Alessandro Innocenti وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
طرق
في هذا القسم، يقوم المؤلفون بتحليل الخصائص الكهروكيميائية والجدوى الاقتصادية لأقطاب الليثيوم (Li) والزنك (Zn) في تطبيقات البطاريات. يتمتع قطب Li بإمكانات توازن عالية تبلغ -3.04 فولت مقابل القطب القياسي للهيدروجين (SHE)، مما يسهل تطوير بطاريات أيون الليثيوم (LIBs) عالية الجهد التي تتجاوز 2 فولت. بالمقابل، يتمتع قطب Zn بإمكانات توازن أقل تبلغ -0.76 فولت مقابل SHE، مع سعة نظرية تبلغ 820 مللي أمبير ساعة جرام⁻¹. تركز الدراسة على بطاريات الزنك المائية، وخاصة تلك التي تستخدم إلكتروليتات حمضية خفيفة، بسبب تشابهها التشغيلي مع LIBs، على الرغم من الاختلافات الكبيرة في كيمياء الخلايا والتكلفة.
يبرز المؤلفون أن جهد بطاريات الزنك المائية محدود باستقرار الماء الكهروكيميائي، وعادة ما يصل إلى حوالي 1.2 فولت. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي استخدام إلكتروليتات مركزة إلى تعزيز الجهد التشغيلي العملي وعمر الدورة من خلال تقليل تحلل الماء. تكشف تحليل التكلفة أن كلوريد الزنك (ZnCl₂) هو الخيار الأكثر اقتصادية كإلكتروليت، بينما الأملاح الخاصة مثل ثلاثي فلوريد الزنك (ZnOTf₂) باهظة الثمن بشكل غير معقول. تقارن الدراسة أيضًا أداء وتكاليف بطارية الزنك-ثاني أكسيد المنغنيز (Zn-MnO₂) مع LIBs التجارية، حيث تجد أنه بينما تتمتع بطارية Zn-MnO₂ بطاقة محددة أقل (189 واط ساعة كجم⁻¹) ووزن إجمالي أعلى من الزنك المطلوب، إلا أنها تقدم تكلفة تنافسية على مستوى الخلية تبلغ 72 دولارًا•كيلووات ساعة⁻¹ مقارنة بـ 79 دولارًا•كيلووات ساعة⁻¹ لفسفات الحديد الليثيوم (LFP) و96 دولارًا•كيلووات ساعة⁻¹ لبطاريات النيكل-منغنيز-كوبالت (NMC). على الرغم من هذه المزايا، يحذر المؤلفون من أن تحقيق بطاريات Zn-MnO₂ المستقرة والفعالة لا يزال بحاجة إلى إثبات.
نقاش
في مناقشة بطاريات الزنك، يبرز البحث مزايا الزنك على الليثيوم، بما في ذلك وفرة الزنك، وتكلفته المعقولة، واستدامته، خاصة لتخزين الطاقة المتجددة. يقدم تحليلًا مقارنًا بين العنصرين، يكشف أنه بينما الزنك أكثر وفرة في قشرة الأرض (52-83 جزء في المليون) مقارنة بالليثيوم (22-32 جزء في المليون)، تختلف ديناميكيات التكلفة بشكل كبير. يتراوح سعر كربونات الليثيوم من الدرجة البطارية من حوالي 5.8 دولار إلى 80 دولار لكل كيلوغرام، مما يترجم إلى 215-2957 دولار لكل مول مكافئ من الإلكترونات، بينما تتراوح تكلفة الزنك بين 1.85 دولار و4.4 دولار لكل كيلوغرام، أو 60.5-144 دولار لكل مول مكافئ. يُعزى هذا الميزة في التكلفة إلى معدلات إنتاج الزنك الأعلى وسلاسل الإمداد الراسخة، حيث إنه المعدن الرابع الأكثر استخراجًا على مستوى العالم، بإنتاج يبلغ 13,000 كيلوجرام سنويًا مقارنة بـ 130 كيلوجرام لليثيوم.
على الرغم من هذه المزايا، يشير البحث إلى أن الزنك يتطلب كتلة أكبر بكثير لتحقيق نفس سعة الشحن مثل الليثيوم، مما قد يؤدي إلى زيادة الأسعار إذا تم اعتماد بطاريات الزنك على نطاق واسع. يؤكد المؤلفون أنه بينما تُظهر بطاريات الزنك القابلة لإعادة الشحن المائية حاليًا تنافسية في التكلفة، إلا أنها تفتقر إلى مستويات الأداء لكيمياء بطاريات أيون الليثيوم الراسخة. علاوة على ذلك، يعترفون بالحاجة إلى مزيد من البحث في أنظمة الزنك الأخرى وأهمية تطوير صناعة إعادة تدوير قوية لكل من الزنك والليثيوم لضمان سلسلة إمداد موثوقة في المستقبل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48368-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38744859
Publication Date: 2024-05-14
Author(s): Alessandro Innocenti et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Methods
In this section, the authors analyze the electrochemical properties and cost-effectiveness of lithium (Li) and zinc (Zn) electrodes in battery applications. The Li electrode has a high equilibrium potential of -3.04 V vs. the standard hydrogen electrode (SHE), facilitating the development of high-voltage lithium-ion batteries (LIBs) exceeding 2 V. In contrast, the Zn electrode has a lower equilibrium potential of -0.76 V vs. SHE, with a theoretical capacity of 820 mAh g⁻¹. The study focuses on aqueous zinc batteries, particularly those utilizing mildly acidic electrolytes, due to their operational similarities with LIBs, despite significant differences in cell chemistry and cost.
The authors highlight that the voltage of aqueous zinc batteries is limited by the electrochemical stability of water, typically capping at approximately 1.2 V. However, using concentrated electrolytes can enhance the practical operating voltage and cycle life by reducing water decomposition. The cost analysis reveals that zinc chloride (ZnCl₂) is the most economical electrolyte option, while specialty salts like zinc triflate (ZnOTf₂) are prohibitively expensive. The study also compares the performance and costs of a zinc-manganese dioxide (Zn-MnO₂) battery with commercial LIBs, finding that while the Zn-MnO₂ battery has a lower specific energy (189 Wh kg⁻¹) and higher overall weight of zinc required, it offers a competitive cell-level cost of 72 $•kWh⁻¹ compared to 79 $•kWh⁻¹ for lithium iron phosphate (LFP) and 96 $•kWh⁻¹ for nickel manganese cobalt (NMC) batteries. Despite these advantages, the authors caution that the practical realization of stable and efficient Zn-MnO₂ batteries remains to be demonstrated.
Discussion
In the discussion of zinc-based batteries, the paper highlights zinc’s advantages over lithium, including its abundance, affordability, and sustainability, particularly for renewable energy storage. It provides a comparative analysis of the two elements, revealing that while zinc is more abundant in the Earth’s crust (52-83 ppm) compared to lithium (22-32 ppm), the cost dynamics differ significantly. The price of battery-grade lithium carbonate ranges from approximately $5.8 to $80 per kilogram, translating to $215-$2957 per equivalent mole of electrons, while zinc costs between $1.85 and $4.4 per kilogram, or $60.5-$144 per equivalent mole. This cost advantage is attributed to zinc’s higher production rates and established supply chains, as it is the fourth most extracted metal globally, with a production of 13,000 kt per year compared to lithium’s 130 kt.
Despite these advantages, the paper notes that zinc requires a significantly higher mass to achieve the same charge capacity as lithium, which could lead to increased prices if zinc batteries become widely adopted. The authors emphasize that while aqueous zinc rechargeable batteries currently show cost competitiveness, they lack the performance levels of established lithium-ion battery chemistries. Furthermore, they acknowledge the need for further research into other zinc-based systems and the importance of developing a robust recycling industry for both zinc and lithium to ensure a reliable supply chain in the future.