בימים אלה מתפרסמות בכל שני וחמישי ידיעות אודות פריצות דרך בפיתוח סוללות, וזה לא קורה במקרה. אלפי מדענים ומהנדסים בכל רחבי העולם שוקדים על גילוי ההרכבים האופטימליים לאחסון חשמל באמצעים כימיים כדי לענות על זינוק בדרישה לרכב חשמלי, למערכות אנרגיה מתחדשת, למערכות גיבוי ולמכשירים חשמליים אישיים.
במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת המדעי Nature Materials חשפה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד את הפיתוח שלהם לסוללת ליתיום-מתכת שמאפשרת טעינת סוללה תוך 10 דקות ושורדת לפחות 6,000 מחזורי טעינה ופריקה. התרומה שלהם לאנושות: חשיפת תופעה פיזיקלית שאותה הם מכנים "חומרי אנודה רגישים להתכווצות".
עבור מי שפחות מתעניין בכימיה ובתיאוריה המדעית ורוצה את התכל'ס נאמר שהמשמעות המעשית המיידית של הגילוי הזה היא שקבוצת החוקרים קיבלה מן המשרד לפיתוח טכנולוגיה של הרווארד אישור להשתמש בטכנולוגיה שפותחה בין כותלי המוסד, והם מתכננים לעשות את זה במסגרת חברת Adden Energy אשר הוקמה בשנת 2019 על-ידי אותו צוות חוקרים בשיתוף האוניברסיטה.
חברה זאת תציג בקרוב סוללה שמבוססת על הכימיה החדשה ותתאים בגודל שלה לשימוש בטלפון חכם. הדרך בין סוללה כזאת לסוללת רכב חשמלי תלויה בעיקר במספר תאי הסוללה שאורזים במארז אחד ובמערכת הניהול של התאים האלה.
למי שכן מתעניין בכימיה ובמדע שמאחורי הדברים נאמר שפריצת הדרך של אנשי הארוורד נוגעת לתגובה בין ליתיום לבין חומרים באנודה בסוללת מצב מוצק, ומבוססת על הרגישות להתכווצות של חומרים שבאמצעותה קל יותר לשלוט בהתהוות ציפוי הליתיום על האנודה.
החשיבות הגדולה ביותר של המחקר נובעת מן השיטה החדשה שהחוקרים פיתחו לשימוש בחומרי "הגנה" על האנודה, ועל אף שהפיתוח המעשי הראשון מבוסס על סיליקון – חומר שכבר נחקר לעומק ונעשה בו שימוש בדיוק לצורך הזה – הם טוענים שהעיקרון המדעי שהם חשפו מתאים לעשרות חומרים פוטנציאליים נוספים.
המחקר מתמקד באחד האתגרים הגדולים ביותר בתחום הסוללות: 'דנדריטים' שנוצרים על פני שטח האנודה ומשתרשים לתוך האלקטרוליט. הדנדריטים, שנוצרים באופן שגרתי כאשר יוני ליתיום עוברים מהקתודה לאנודה במהלך טעינת הסוללה, מתחברים למשטח האנודה בתהליך שמכונה ציפוי, ובסופו של דבר יוצרים קצר בין הקוטב החיובי לשלילי. מה שמאפשר לדנדריטים המעצבנים האלה להכות שורש הוא משטח לא אחיד ולא הומוגני של האנודה, ומספר רב של חברות ומיזמים – בהם גם חברות ישראליות – שוקדים על פיתוח שיטות שונות להתמודדות עם התופעה הזאת.
המחקר החדש מצא שיטה לשימוש בחלקיקי סיליקון בגודל מיקרון על האנודה באופן שמונע היווצרות דנדריטים באמצעות ציפוי אחיד של שכבה עבה של מתכת ליתיום. בשיטה הזאת, כאשר יוני הליתיום נעים מהקתודה לאנודה במהלך טעינה הם נצמדים לפני השטח של חלקיק הסיליקון ולא חודרים הלאה.
התיאוריה החדשה מתאימה לטענתם גם למתכות מסוג כסף וסגסוגות של מגנזיום והתוצאה היא פיזור זרם בצורה הומוגנית, וזה מה שמאפשר את התוצאה הרצויה: אפשרות לטעינת סוללה תוך 10 דקות בלבד בתוך כדי אבטחת אורך חיים ארוך.
"סוללות עם אנודת ליתיום נחשבות לגביע הקדוש של סוללות מכיוון שיש להן קיבולת גדולה פי עשרה מזו של אנודות גרפיט, והן מגדילות באופן דרסטי את קיבולת הסוללות ואת טווח הנסיעה של כלי רכב חשמליים", מסביר פרופסור שין לי, אחד החוקרים. "המחקר שלנו מקדם צעד חשוב לקראת סוללות מצב מוצק ליישומים תעשייתיים ומסחריים… מחקרים קודמים מצאו כי חומרים אחרים, כולל כסף, יכולים לשמש כחומרים טובים באנודה עבור סוללות מצב מוצק, והמחקר שלנו מציג מנגנון אחד וגם מסלול זיהוי של חומרים חדשים לתכנון סוללות".
עבודה קבוצתית וגלובלית
ליתיום ככל הנראה תישאר מתכת מועדפת בסוללות מפני שיש לה את הפוטנציאל האלקטרוכימי הגדול ביותר במונחי יחס אנרגיה למשקל. ליונים של ליתיום יש משקל אטומי נמוך וגודל פיזי קטן אשר מאיצים את הדיפוזיה שלו, ולא במקרה נחקרת המתכת הזאת מזה 122 שנים.
סוללות ליתיום מסחריות ראשונות יוצרו בשנות השבעים, בעיקר בסוללות לא נטענות אשר עדיין נמצאות בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים עדינים. פריצות דרך חשובות שסללו את הדרך לשימוש בסוללות ליתיום-יון ברכב התרחשו במקביל בשנות ה-80, ומאז שהושקו באופן מסחרי בשנות ה-90 צנחו מחירי הסוללות האלה בכ-97%.
בשנת 1980 השתמש כימאי אמריקני לראשונה בקתודה שעשויה מתחמוצת ליתיום קובלט, ובאותה שנה גילה מדען מרוקאי, ראשיד יזאמי, את אנודת הגרפיט. הגילוי היותר מפורסם, אנודה שעשויה מננו-פחמן, פורסם שנה לאחר מכן על-ידי שני כימאים יפנים ופרץ את דרכה של סוני להשיק עשר שנים לאחר מכן סוללת ליתיום-יון נטענת מסחרית ראשונה.
המחקר החדש, של אנשי הארוורד Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang ו-Jianyuan Li, הוא נדבך אחד נוסף בדרך לסוללות בטוחות יותר, שימושיות יותר, בעלות תכולת אנרגיה גבוהה יותר וכאלה ששורדות לאורך זמן.
לקריאה נוספת:
סוללות זולות לרכב חשמלי: BYD מקימה מפעל חדש וענק לייצור סוללות נתרן-יון
סטורדוט הישראלית תספק תאי סוללה לוולוו
פלטפורמת הרכב החשמלי של CATL מדגימה איך המהפכה החשמלית משנה את כללי המשחק בתעשיית הרכב
