Advanced Sustainable Systems:基于生命周期评估水系锌离子电池对环境的影响

电化学储能系统(EES)可以按需存储和提供能源,安装在可再生能源发电厂时,可以减少或消除风能、太阳能和潮汐能发电的间歇性,从而确保可再生能源发电的稳定供应,加速向低碳经济转型。到目前为止,锂离子电池得益于其高能量密度和长循环稳定性,在便携式电子产品和电动汽车市场中占据着主导地位。但是,由于锂离子电池的可持续性问题,例如需要使用稀有且有毒的电极材料(锂、钴和镍)以及有毒、危险的有机电解质,其在电网中的应用一直受到限制。相比之下,无需使用有机电解质的水系可充电电池因其低成本、高安全性和可持续性而受到广泛关注。其中,水系锌离子电池具有出色的能量密度,且电极材料锌的丰度和安全性都高于锂,非常适合于重量不受限制的电网应用。

ZIBs的工业化应用还需要进一步的技术发展,并且需要一种量化的方法来持续评估锌离子电池的环境效益和可持续性。针对这一领域,西班牙巴斯克大学Erlantz Lizundia及合作者首次使用生命周期评估(LCA)的方法,分析和比较了水系锌离子电池对环境的影响。

图1:生命周期评估的范围和边界

在这篇文章中,作者首先选择了六种水系锌离子电池作为研究对象,其阴极组成分别为:Co(III) Rich-Co34、V2O5-bronze、Nasicon–Na3V2(PO4)3、Na2MnFe(CN)6、MoS2-O和CALIX4-C4Q,它们分别是氧化物、聚阴离子骨架、普鲁士蓝类似物、层状硫化物和有机物的代表性例子。之后,作者以已发表论文的数据为基础进行了建模,对上述六种锌离子电池的原材料、组件生产、组装耗材、水和能量输入进行了统计,确定了电池的生命周期清单(LCI)。

图2:六种锌离子电池以及其他类型电池对全球变暖的影响分析

接着,作者基于LCI对六种锌离子电池进行了温室气体分析。结果显示,每生产1kWh存储量的这6种电池,二氧化碳排放量在22.1到95.2kg之间,平均为45.1kg,这一指标低于锌空气电池(61.2kg)、镍离子电池(140.3kg)和锂离子电池(120kg)等,因此具有更强的环境竞争力。而对于全面的环境影响,如耗水量、陆地生态毒性、海洋富营养化等方面,作者指出:含Co阴极具有严重的毒性问题,含硫的阴极则具有淡水毒性和致癌性,而CALIX 4 -C 4Q在制备过程中则会消耗臭氧,加剧温室效应。总的来说,Na2MnFe(CN) 6电池对环境的影响最小。

图3:针对降低水系锌离子电池对环境的影响的未来改进方向

最后,作者讨论了水系锌离子电池未来发展中重要的改进方向,如提高运行电压、增加阴极负载以及抑制阴极溶解等。作者指出,由于锌离子电池符合与材料毒性(水系电解质)和工艺简单性相关的循环经济概念,因此对环境的影响很小,具有良好的可持续性,为绿色固定储能技术的未来生态设计提供了新的思路。

Environmental Impacts of Aqueous Zinc Ion Batteries Based on Life Cycle Assessment

Maider Iturrondobeitia, Ortzi Akizu-Gardoki, Oier Amondarain, Rikardo Minguez, Erlantz Lizundia*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100308

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100308