המירוץ אחר סוללה אופטימלית שתהיה מסוגלת לאגור כמויות גדולות של אנרגיה באופן בטוח, להיטען ולהיפרק במהירות, ולשרוד למשך זמן רב – נמצא בעיצומו. מאות מכוני מחקר וחברות בכל רחבי העולם מתאמצים להגיע ראשונים לשוק, וכמעט מידי יום אנחנו שומעים על טכנולוגיה חדשה או על חברת סטארט אפ שמגייסת כסף, אך במקביל גם על מאות מיליארדי דולרים שמושקעים במפעלים לייצור סוללות בטכנולוגיות ליתיום-יון קיימות ומוגבלות.
תעשיית הרכב היא אחד המאיצים החשובים לפיתוח טכנולוגיית סוללות מכיוון שהיא זקוקה להן באופן דחוף, כמעט נואש, אבל היא לא היחידה. גם תעשיית האלקטרוניקה זקוקה לסוללות טובות מאלה שקיימות כעת, ויותר מכל הן נדרשות בכמויות עצומות לתחום האנרגיה המתחדשת.
ביום רביעי השבוע תושק בסין 'איון V פלוס' – מכונית חשמלית ראשונה עם סוללה על בסיס גרפן (נגזרת של גרפיט) אשר מבטיחה טעינה סופר מהירה ובטוחה, ובסוף השבוע נתבשרנו על פריצת דרך מעניינת במיוחד מכיוון מחלקת הנדסת הננו טכנולוגיה של אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. במחקר שפורסם בסוף השבוע בכתב העת החשוב 'סאיינס' (Science) מתארים חוקרי האוניברסיטה כיצד שילבו בין שתי טכנולוגיות שנמצאות כעת במוקדי התעניינות של קהילות מדענים בעולם וקיבלו את מה שנשמע כמו הסוללה המושלמת, נכון להיום.
הטכנולוגיה הראשונה שבה נעשה שימוש היא אנודה על-בסיס סיליקון אשר ידועה בצפיפות אנרגיה גדולה פי עשרה מאנודות הגרפיט שמשמשות כעת ברוב סוללות הליתיום יון המסחריות של היום. מדענים ויצרני סוללות ניסו במשך עשרות שנים למצא את תרכובת הסיליקון המתאימה לשימוש באנודות כדי להחליף לחלוטין, או לשלב אותה, באנודות הגרפיט המקובלות.
פריצת הדרך של החוקרים באוניברסיטת סן דייגו הייתה כאשר הוציאו את הפחמן מן האנודות, ובמקביל השתמשו במיקרו-סיליקון שלדבריהם הוא פחות מעובד ופחות יקר מאשר הננו-סיליקון שבו מנסים רוב החוקרים להשתמש. בעיה ספציפית של אנודות סיליקון היא הנטייה שלהן להתרחב ולהתכווץ במהלך טעינה ופריקה של סוללה, והעובדה שהן מתכלות במהירות כתוצאה ממגע עם אלקטרוליטים נוזליים. תכונות אלה מקצרות את חייהן ולכן מנעו עד היום את השימוש המסחרי בהן.
פריצת הדרך השנייה שאמורה לאפשר את השימוש בסיליקון היא החיבור של מרכיב אחר שאותו מתאמצים מדענים בכל העולם לפתח ללא קשר לסיליקון – וזה אלקטרוליט במצב מוצק. החוקרים בחרו באלקטרוליט מוצק שמבוסס על גופרית ונטול פחמן, וזאת לאחר שמצאו שהוא יציב במיוחד בסביבת סיליקון. אלקטרוליטים כאלה, שמבוססים על גופרית, נחשבו במשך שנים כמאוד לא יציבים, אבל זאת בעיקר מכיוון שההתייחסות הייתה למערכות של אלקטרוליטים נוזליים שנעדרים את היציבות הקינטית של אלקטרוליטים מוצקים. שילוב שתי הטכנולוגיות, כך מבטיחים החוקרים במאמר שפרסמו, יצר סוללה בטוחה לשימוש, עמידה לאורך זמן, וחשוב מכל: בעלת תכולת אנרגיה גבוהה ויכולת לטעינה ופריקה מהירות.
מחבר המאמר, דארן טאן אשר זה עתה קיבל את הדוקטורט שלו מן האוניברסיטה, כותב ש"עם תצורת סוללה כזאת הצלחנו ליצור הזדמנות חדשה לסוללות במצב מוצק שמשולבות באנודות סגסוגת כגון סיליקון". צוות החוקרים הדגים את הטכנולוגיה על סוללות בקנה מידה מעבדתי שעמדו ב-500 מחזורי טעינה ופריקה עם שמירת קיבולת של 80% מתכולת האנרגיה בטמפרטורת החדר, ולדבריהם מדובר בפריצת דרך גם בתחום אנודות הסיליקון וגם בתחום הסוללות במצב מוצק.
החוקרים של אוניברסיטת קליפורניה שיתפו פעולה עם חוקרי LG Energy Solution והקימו חברת סטארט אפ חדשה, UNIGRID Battery, שטאן הוא המנכ"ל והמייסד שלה. החברה רשמה את הטכנולוגיה החדשה כפטנט.
"עבודה חדשה זאת מציעה פתרון מבטיח לבעיית האנודה הסיליקונית, אם כי יש עוד עבודה לעשות", מצוטטת פרופסור שירלי מנג, אחת מכותבות המאמר, בהודעת האוניברסיטה. "אני רואה בפרויקט זה אימות לגישה שלנו, שחיברה בין עבודה תיאורטית וניסיונית קפדנית עם יצירתיות וחשיבה "מחוץ לקופסה". הצלחנו גם לבנות אינטראקציה עם שותפים בתעשייה כדי להתמודד עם האתגרים הקשים".
מיונג-חוואן קים, נשיא ומנהל הרכש הראשי של LG Energy Solution שהייתה שותפה למחקר, אומר ש-LG "שמחה על כך שהמחקר העדכני ביותר על טכנולוגיית סוללות סיליקון מצב מוצק פורסם בכתב העת החשוב ורואה בכך הודאה משמעותית. כעת LG קרובה הרבה יותר למימוש טכניקות סוללה במצב מוצק, וזה יגוון מאוד את מערך מוצרי הסוללות שלנו. החברה תמשיך במאמץ לטפח טכנולוגיות חדישות ותרחיב את שיתוף הפעולה שלה עם אוניברסיטת קליפורניה".
