אנחנו לוקחים הרבה מהטכנולוגיה סביבנו כמובן מאליו. למשל, מיקרו מחשבים לטלפונים שעובדים ללא טעינה כל היום. אבל אני רוצה שהטלפון יעבוד 3-4 ימים ללא טעינה. או מכונית חשמלית שיכולה לנסוע 1000 קילומטרים, להיטען תוך דקות... ולעלות פחות ממכונית עם מנוע בנזין. דיברו הרבה על סוללות מוצק לאורך השנים, אבל איך הדברים מתנהלים עכשיו? וכמה עוד צריך לחכות עד סוללות מצב מוצק בסופו של דבר בתוך המכשירים שלנו?
הדוגמה העדכנית ביותר היא טויוטה, שהכריזה על מכונית סוללה במצב מוצק במהלך אולימפיאדת החורף. לסוללות הליתיום-יון בהן אנו משתמשים כיום, מעולות ככל שיהיו, יש חסרונות מסוימים שסוללות מצב מוצק מנסות לפתור.
מה יש להם במשותף?
שני הסוגים משתמשים בליתיום לייצור חשמל והמבנה הכללי שלהם די דומה. במילים פשוטות, יש להם אנודה (אלקטרודה שלילית), קתודה (אלקטרודה חיובית) ואלקטרוליט.
ההבדל העיקרי ביניהם טמון במצב האלקטרוליט, שעוזר להעביר יונים מהקתודה לאנודה בזמן הטעינה ולהיפך בזמן הפריקה. במילים אחרות, האלקטרוליט מווסת את זרימת הזרם החשמלי בין הצדדים השליליים והחיוביים של הסוללה. בעוד שסוללות ליתיום-יון משתמשות באלקטרוליטים נוזליים, סוללות מצב מוצק, כשמן מרמז, משתמשות בשכבות דקות של אלקטרוליט מוצק.
למה זה חשוב?
לאלקטרוליטים מוצקים יש מספר יתרונות משמעותיים:
- אבטחה: עמ'אלקטרוליטים חומציים נָדִיף ומתלקח בקלות בטמפרטורות גבוהות. בניגוד אליהם, אלקטרוליטים מוצקים יציבים יותר ומפחיתים את הסיכון לשריפה או פיצוץ.
- גבוה יותר צפיפות אנרגיה וזמן טעינה מהיר יותר: עמ'יציבות מוגברת פירושה שסוללות מצב מוצק יכולות לאגור 50% יותר אנרגיה מאשר מקבילותיהן לליתיום-יון, בעוד שהן צפויות להגיע לטעינה של 80% תוך 12 דקות.
משמאל נראה מבנה של סוללת ליתיום-יון, ומימין מבנה של סוללת מצב מוצק.
3. משקל וגודל קלים יותר: בעוד שהנוזל שבתוך סוללות ליתיום-יון הופך אותן לכבדות יותר, המבנה הקומפקטי של סוללות מצב מוצק מאפשר צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ליחידת שטח, מה שאומר שיש צורך בפחות סוללות.
האם סוללות מצב מוצק יחליפו את סוללות הליתיום-יון?
בתיאוריה, כן, או לפחות לשם פני הדברים. למעשה, יצרניות רכב רבות כבר משקיעות בטכנולוגיה זו, כולל פולקסווגן, טויוטה, פורד וב.מ.וו. עם זאת, בפועל, תאים של סוללות מצב מוצק מיוצרים בזה אחר זה במעבדות, וכדי להביאם לייצור המוני - משימה יקרה ועדיין לא מפותחת מספיק.
קשה לפתח אלקטרוליט מוצק שיהיה גם יציב, אינרטי מבחינה כימית וגם מוליך טוב של יונים בין האלקטרודות. בנוסף, אלקטרוליטים יקרים מדי לייצור ונוטים להיסדק בשל שבירותם כאשר הם מורחבים ודחוסים במהלך השימוש. אבל אולי ככל שסוללות ליתיום-יון הופכות בהדרגה לזולות יותר, זה יקרה.
אילו מחקרים כבר נעשו?
בשנים האחרונות נערכו מחקרים מעניינים רבים, שמטרתם לפתור בעיה זו. חוקרי MIT פיתחו מה שנקרא מוליכים יון-אלקטרון מעורבים (MIECs), כמו גם מבודדי ליתיום-יון אלקטרוניים (ELI). זוהי ארכיטקטורה סלולרית תלת מימדית עם צינורות MIEC ננומטריים. הצינורות מלאים בליתיום, היוצר את האנודה. חלק מרכזי בגילוי זה הוא שהמבנה הסלולרי מאפשר מקום לליתיום להתרחב ולהתכווץ במהלך הטעינה והפריקה. ה"נשימה" הזו של הסוללה מונעת סדקים. הציפוי של צינורות ELI פועל כמחסום המגן עליהם מפני אלקטרוליט מוצק. זהו המבנה של סוללת מצב מוצק, שחוסך מאיתנו את הצורך להוסיף כל נוזל או ג'ל, ולכן מאפשר לנו להימנע מדנדריטים.
חברה התקשרה מערכות אחסון יונים פיתח אלקטרוליט קרמי דק במיוחד בעובי של כ-10 מיקרומטר, בערך באותו עובי כמו מפרידי פלסטיק מודרניים המשתמשים באלקטרוליטים נוזליים. כל צד של האלקטרוליט הקרמי מצופה בשכבה דקה במיוחד של תחמוצת אלומיניום המסייעת בהפחתת ההתנגדות. אב הטיפוס של הסוללה הוא בעל קיבולת אנרגיה של כ-300 וואט/ק"ג וניתן לטעינה תוך 5-10 דקות. לשם השוואה: סוללות NCA מודרניות מגיעות לקיבולת אנרגיה של כ-250 וואט/ק"ג.
בתערוכה CES השנה הציגה Mecedes את מכונית הקונספט AVTR, העשויה מחומרים ידידותיים לסביבה, בעלת סוללה הניתנת למחזור מלא. בראיון הצהיר מנהל מחקר הסוללות הבכיר של מרצדס, אנדראס הינטנאך, כי טכנולוגיית הסוללות עוברת כעת בדיקות מעבדה ותהיה מוכנה בעוד 10-15 שנים. CATL (שותפת הסוללות הסינית של טסלה) פיתחה גם היא סוללת מצב מוצק לדוגמה, אך הם דיווחו שהיא לא תגיע לשוק עד 2030.
צפוי ייצור רציף של סוללות מוצק יתוקן מ-2025, אבל בתחילה לא בתעשיית הרכב.
קרא גם: