מגבלות הטעינה של סוללות בכלל, ובפרט של אלה שמותקנות בכלי רכב חשמליים מכווצות כרגע את מעטפת השימוש בכלי רכב חשמליים. אבל מוסדות מחקר ומדענים בכל רחבי העולם שוקדים יומם ולילה על טכנולוגיות וחומרים חדשים במטרה לפתור את הבעיה, ובכל כמה שבועות נרשמת פריצת דרך חדשה.
נקודות התורפה העיקריות של טעינה ושימוש ברכב חשמלי כוללות בין השאר את משקל הסוללות, הצורך בקירור שלהן בעת טעינה או פריקה, עמידות חומרי הסוללה במחזורי טעינה רבים ובקצב טעינה ופריקה מהירים, ועוצמת הזרם שהתשתית מסוגלת לספק – בין אם בגלל קרבתה והחיבור שלה לרשת החשמל ובין אם בגלל רכיבים ספציפיים בעמדת הטעינה. בשורה תחתונה – הביצועים של כל מערכת נגזרים מן החולייה החלשה ביותר שלה, וכדי שנגיע ליום שבו רכב חשמלי מציע שימושיות דומה לזאת של רכב עם מנוע בעירה פנימית צריך לטפל במכלול כולו: משקל הסוללות, תכולת האנרגיה שלהן, אמינותן לאורך זמן, והאפשרות לטעון אותן במהירות ובאופן בטוח.
שתי אוניברסיטאות, משני צידי האוקיאנוס האטלנטי, הציגו השבוע שתי פריצות דרך מדעיות חשובות שעשויות למגר שתי נקודות תורפה שנזכרו כאן – הראשונה בתחום תשתית הטעינה והאחרת בסוללה עצמה.
מהנדסי אוניברסיטת פורדו שבמערב לאפאייט במדינת אינדיאנה שבארה"ב חשפו כבל טעינה מקורר שמסוגל להעביר זרם בעוצמה גדולה פי 4.6 מזאת שמועברת בעמדות ה'סופרצ'ארג'ר' של 'טסלה', ועל המצאתם זאת הם כבר רשמו בקשת פטנט. עקרון הפעולה מבוסס על נוזל מיוחד שעובר ליד מקור חום ומגיע לרתיחה שבמהלכה נוצרות בועות של אדים. אלה חולפים על פני מקור החום ומתעבים לאחר מכן בחזרה למצב נוזלי, וחוזר חלילה בתוך מערכת סגורה. לאחר שהטכנולוגיה הזאת תהיה מסחרית אפשר יהיה לטעון סוללה מתאימה בתוך חמש דקות בלבד, כלומר פחות ממשך התדלוק הממוצע של מכונית קונבנציונלית.
פיתוח זה, אשר מומן בחלקו על-ידי יצרנית הרכב פורד, מבוסס על עבודת מחקר שביצע עיסאם מודאואר (Issam Mudawar), פרופסור להנדסת מכונות, במשך 37 (!) השנים האחרונות בתחום "קירור באמצעות אידוי". פתרונות קירור שפותחו על ידו במהלך השנים מומנו בין השאר על-ידי נאס"א, ומשמשים במעבורות ובמכשור בתעשיית הטילים והחלל. בהנחה שקיימת התאמה גם לעמדות טעינה ארציות יכול הפטנט הזה לפתור את בעיית ההתחממות של כבלים בעמדות טעינה מהירות. אב הטיפוס של כבל הטעינה המקורר אמנם לא נוסה עדיין על רכב חשמלי, אבל מודאואר ותלמידיו הדגימו במעבדה שלהם הזרמת חשמל בזרם של יותר מ-2,400 אמפר לעומת, למשל, 520 אמפר שמספקת עמדת הטעינה הסופר מהירה של טסלה. למען הפרופורציות, רוב המטענים "המהירים" בעולם תומכים בזרם של 150 אמפר לכל היותר.
במקביל להדגמה במעבדה חשוב לקרר קצת גם את ההתלהבות של כולנו. כאמור לעיל, כדי שנוכל להגיע לזמני הטעינה הפנטסטיים שכולנו רוצים נדרש שכל רכיבי המערכת – החל בתשתית החשמל בקצה האחד וכלה בסוללה שבתוך הרכב מצד שני – יתמכו בזרם של 2,500 אמפר. מה שכן, אב הטיפוס שהוצג בהחלט נראה כמו "הדבר האמיתי", וקל לדמיין אותו מותקן על עמדת טעינה מהירה: יש לו "משאבת חום", צינור בקוטר דומה לכבלי הטעינה המוכרים לנו, עמדת טעינה שנראית זהה לעמדות המוכרות ובקיצור – זה נראה מוכן לעבודה.
אגב, קירור של כבל טעינה לא נשמע לכשעצמו כמו פריצת דרך גדולה. גם כעת נעשה שימוש במערכות קירור, בדרך כלל מבוססות נוזל, כדי להיפטר מעודפי החום שנוצרים בעת טעינת רכב חשמלי. אלא שהפטנט החדש מבוסס, כאמור, על תהליך אידוי שמסוגל לפזר פי עשרה יותר חום מאשר מערכות קירור-נוזל מסורבלות וכבדות. בדרך זאת – מבטיחים פרופסור מודאואר ותלמידיו, אפשר להשתמש בכבל טעינה בקוטר קטן יותר ולקבל פיזור חום טוב יותר.
אנשי אוניברסיטת פרדו מחפשים כעת שותפים מן התעשייה כדי להפוך את הטכנולוגיה שלהם למסחרית, והאמת היא שעל פניו מדובר פתרון מוצלח לכל מי שעוסק בטעינת רכב – בוודאי בגזרת עמדות הטעינה אבל גם בתחום הסוללות.
תכירו: ניקל ניובאט
נקודת תורפה ידועה אחרת במערכת החשמלית היא סוג החומרים שמשמשים לאנודה ולקתודה – שני הקטבים של סוללה חשמלית. תחת הספק חשמלי גבוה, ובתנאי החום שנוצרים, נוטים חלק מן החומרים להתחמצן או להתפרק או להתקלקל בגלל ריאקציות עם חומרים אחרים מסביבתם, או שהמוליכות שלהם לא מספיק טובה.
הפתרונות הטובים ביותר לציפוי אנודות עד כה הגיעו ממשפחת הגרפיט, עם חומרים כמו 'גרפן', אבל גם אלה עדיין לא מספקים את הסחורה ולא יכולים לעמוד בהספקי טעינה אולטרא-מהירים. חוקרים ברחבי העולם בוחנים עשרות סוגים שונים של תרכובות, ובין השאר פורסמו מחקרים אודות Mxene, תחמוצות מבוססות טיטניום, או תחמוצות מבוססות ניוביום (niobium) כמו טונגסטן ניוביום. הבעיה היא שבמרבית המקרים מדובר בחומרים מורכבים להפקה או יישום, או שהתהליכים התעשייתיים שנדרשים כדי להפוך אותם למסחריים אינם יעילים כלכלית, או שהם כרוכים בכמויות לא סבירות של פסולת או בנזקים אקולוגיים משמעותיים.
חוקרים מאוניברסיטת טוונטה (Twente) שבמזרח הולנד, ממש על גבול גרמניה, טוענים שגילו חומר פשוט להפקה אשר מאפשר טעינה מהירה פי 10 של סוללות ליתיום-יון ביחס למקובל כיום, והחומר הזה נקרא ניקל ניובאט. לדבריהם, ניקל ניובאט (NiNb2O6) הוא חומר קומפקטי יותר מאשר גרפיט, ולכן יש לו "צפיפות אנרגיה נפחית" גבוהה יותר. הם מדווחים גם שלחומר החדש יש תכונות אטרקטיביות שמתאימות מאוד לשימוש בסוללות רכב חשמלי, בין השאר מכיוון שהוא מאפשר הרבה מאוד מחזורי טעינה אולטרה מהירה מבלי שהתכונות המקוריות שלו משתנות.
צוות המחקר בדק את החומר החדש על אנודה וגם על קתודה והצליח לטעון סוללה אמיתית בקצב מהיר פי עשרה מזה של סוללות ליתיום-יון עם אנודת גרפיט. במאמר המדעי שהם פרסמו נטען שבמהלך המחקר בוצעו יותר מ-20,000 מחזורי טעינה מבלי שנפגעה יציבות הניקל ניובאט, ובסוף התהליך שמרה הסוללה על 81% מתכולת האנרגיה המקורית שלה. בהודעה שפרסמה האוניברסיטה נטען שאחד היתרונות החשובים של החומר הוא שאפשר להפיק אותו בתהליך ייצור פשוט יחסית, ללא צורך בתשתית "חדר נקי", ושלצד המפרט הטכני מושג גם שיפור דרסטי בכל הקשור לקיימות ול"טביעת הרגל הפחמנית" בתהליך ייצור הסוללות.
