Lợi thế của kẽm: An toàn, dồi dào và chi phí
Trong khi lithium rất hạn chế, tập trung về mặt vật chất và gặp nhiều vấn đề về an ninh (thoát nhiệt, cháy nổ); kẽm có nhiều công dụng hơn, chi phí thấp hơn nhiều và không có vấn đề về bảo mật.
Pin kẽm hoạt động trên các chất điện phân dạng nước và khả năng bắt cháy tổng thể của dung môi điện phân lỏng, đây là một rủi ro bảo mật liên quan đến tế bào ion Li- sử dụng dung môi hữu cơ; do đó, kẽm cung cấp dung tích thể tích cao theo lý thuyết (5.855 Ah/L) và thế năng oxy hóa khử thấp, do đó hấp dẫn các ứng dụng mật độ năng lượng-cao.
Trong nhiều năm nay (hơn một số) pin sạc gốc kẽm (chủ yếu là kẽm niken và kẽm không khí) là sản phẩm bị hạn chế do ba vấn đề chính sau: hình thành dendrite, tiến hóa hydro do tính chất ký sinh của phản ứng và thay đổi hình dạng.
Những trở ngại cũ: Điều gì đã cản trở kẽm
Sự hình thành các sợi nhánh xảy ra cùng với kẽm trong giai đoạn nạp lại. Khi sạc pin kẽm không đồng đều, kẽm sẽ tạo ra các cấu trúc đuôi gai có thể đi qua ngăn cách của tế bào kẽm và gây đoản mạch.
Phản ứng điện hóa xảy ra trong tế bào và tạo ra khí hydro là một phản ứng phụ khác dẫn đến mất độ ẩm trong tế bào khiến tuổi thọ của chu kỳ bị hạn chế.
Hình dạng của điện cực kẽm sẽ thay đổi trong quá trình đạp xe do vật liệu hoạt động được phân phối lại và dẫn đến mất công suất và hỏng hóc cơ học.
Pin kẽm thường có giới hạn về số lượng chu kỳ ở mức dưới 200 - 300 chu kỳ sâu so với pin Li-ion cung cấp 1000 - 2000 chu kỳ.
Phá vỡ các rào cản: Những đột phá gần đây
Một làn sóng nghiên cứu liên ngành - bao gồm khoa học vật liệu, kỹ thuật nano và điện hóa học - đang dỡ bỏ những rào cản này một cách có hệ thống.
Cực dương kẽm có cấu trúc 3D:Các nhà nghiên cứu tại Đại học Maryland và Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ đã phát triển các cực dương kẽm xốp,{2}}giống như bọt biển có khả năng thích ứng với sự thay đổi về thể tích và thúc đẩy sự lắng đọng đồng đều, về cơ bản loại bỏ sự phát triển của dendrite. Những cực dương này đã chứng minh được hơn 1.500 chu kỳ ở độ sâu phóng điện cao.
Phụ gia điện phân và lớp phủ "Kẽm{0}}ám ảnh":Thêm một lượng nhỏ chất phụ gia hữu cơ hoặc vô cơ (ví dụ: natri dodecyl sunfat, bismuth oxit) vào chất điện phân sẽ làm thay đổi hình thái lắng đọng kẽm. Các phương pháp tiếp cận tiên tiến hơn sử dụng lớp phủ "kẽm-ợ" để điều khiển sự lắng đọng thành các lớp phẳng, dày đặc.
Bộ tách hiệu suất-cao:Bộ phân tách bằng gốm-hỗn hợp polyme kết hợp với các bộ phân tách được gia cố bằng nanocellulose- hoặc Kim loại-Khung hữu cơ (MOF)- mới giúp ngăn chặn sự xâm nhập của dendrite đồng thời cho phép vận chuyển ion nhanh chóng.
Ức chế phản ứng bên-:Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng độ pH đệm và bổ sung các chất ức chế ăn mòn (chẳng hạn như hợp chất indi hoặc thiếc), đã làm giảm đáng kể sự phát triển hydro từ (các) phản ứng điện hóa không lường trước được trong pin hydro nguyên mẫu được phát triển gần đây với hiệu suất Coulombic hoạt động trên 99,7%.
Cơ hội: Nơi pin kẽm tỏa sáng
Với những tiến bộ này, pin kẽm có thể sạc lại đang tìm thấy những điểm hấp dẫn về mặt thương mại - không phải--đối đầu với Li-ion trong xe điện mà ở những thị trường rộng lớn, chưa được quan tâm.
1. Lưu trữ năng lượng cố định (Lưới điện và khu dân cư)
Việc lưu trữ trong thời gian dài (4–12 giờ) vẫn là một thách thức do chi phí sử dụng lithium-ion trên mỗi kilowatt-giờ sử dụng cao. Ngược lại, pin gốc kẽm -, đặc biệt là những pin sử dụng kẽm-không khí hoặc kẽm-bromine - có chi phí nguyên liệu thô thấp hơn và đã được chứng minh là không{11}}dễ cháy, khiến chúng rất phù hợp cho các ứng dụng lưu trữ-dự phòng quy mô tiện ích và năng lượng mặt trời{13}}cộng với{14}}lưu trữ. Nhiều công ty khởi nghiệp ở Trung Quốc và Hoa Kỳ, bao gồm cả Eos Energy Enterprises và Zinc8 Energy Solutions, đã bắt đầu triển khai hệ thống pin quy mô megawatt.
2. Thiết bị đeo và thiết bị IoT
Pin kẽm màng mỏng,{0}}linh hoạt là ứng cử viên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ thông minh, miếng vá y tế và cảm biến môi trường. Chất điện phân nước trong các loại pin này an toàn khi sử dụng trên da người và khả năng pin cũng có thể được in trên các chất nền linh hoạt sẽ dẫn đến nhiều phương pháp sản xuất mà lithium{2}}ion không thể sánh được. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore gần đây đã in một loại pin kẽm có thể sạc lại lên kính áp tròng.
3. Thay thế axit chì{1}}
Pin chì{0}}axit vẫn là loại pin được sử dụng chủ yếu làm nguồn điện dự phòng, dùng trong xe chơi gôn và xe nâng hàng, cùng nhiều loại pin khác; tuy nhiên, chúng thường có mật độ năng lượng rất thấp và gây ra mối đe dọa đáng kể cho môi trường do độc tính của chúng. Mặt khác, người ta phát hiện ra rằng pin kẽm có khả năng lưu trữ lượng năng lượng gấp đôi so với pin axit chì-khi so sánh, thường có tuổi thọ dài hơn nhiều so với pin axit chì-và có thể được tái chế mà không có bất kỳ vật liệu nguy hiểm nào liên quan đến chì. Phần lớn các nhà sản xuất xe nâng hiện đang thử nghiệm bộ pin niken-kẽm.
Con đường phía trước: Từ phòng thí nghiệm đến thị trường
Mặc dù sự tiến bộ là không thể phủ nhận nhưng quá trình thương mại hóa vẫn còn ở giai đoạn đầu. Những thách thức chính còn lại bao gồm:
Mở rộng quy mô sản xuất điện cực đồng nhất- đột phá trong phòng thí nghiệm thường dựa vào các chất phụ gia lạ hoặc quá trình xử lý phức tạp làm tăng chi phí.
Tiêu chuẩn hóa- không giống như Li-ion có định dạng-18650/21700 được thiết lập tốt, pin kẽm thiếu các hệ số dạng-rộng trong ngành.
Tuổi thọ lịch-dài hạn- hầu hết các nghiên cứu được công bố đều cho thấy vòng đời, nhưng-sự lão hóa trong thế giới thực do sạc một phần, dao động nhiệt độ và sử dụng không liên tục vẫn chưa được chứng minh.
Tuy nhiên, đầu tư đang tăng tốc. Chỉ riêng trong năm 2025, nguồn tài trợ mạo hiểm cho các công ty khởi nghiệp về pin kẽm đã vượt qua 400 triệu USD và "Khoản dự trữ thời gian dài" của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đặc biệt nhắm đến kẽm như một hóa chất ưu tiên. Trong khi đó, Trung Quốc đã đưa pin-không khí kẽm vào Kế hoạch 5-năm lần thứ 14 về lưu trữ năng lượng.
Kết luận: Một tương lai bổ sung, không cạnh tranh
Mặc dù pin kẽm được chỉ định là loại-thứ hai sau ion lithium nhưng chúng sẽ không "tiêu diệt" chúng; đơn giản là chúng sẽ có nhiều ứng dụng được cho là không đủ tiêu chuẩn đối với lithium hoặc lithium quá đắt trên quy mô lớn hoặc thậm chí có khả năng gây nguy hiểm khi sử dụng trong hàng tiêu dùng. Bằng cách tận dụng các đặc tính thuộc tính của pin kẽm kết hợp với những tiến bộ gần đây, chúng sẽ là nền tảng/khối thứ hai trong hệ sinh thái lưu trữ năng lượng lithium mới nổi.
