כיום, כשממדי המכשירים הולכים וקטנים, גובר הצורך במצברים זעירים ויעילים פרופ’ עמנואל פלד ופרופ’ דיאנה גולודניצקי מבית הספר לכימיה מפתחים מצברים שניתן להתקינם, בין השאר, בתוך קפסולות לבליעה – למטרות רפואיות, או בחיישנים זעירים – לשימושים ביטחוניים.
כיום, כשממדי המכשירים הולכים וקטנים, גובר הצורך במצברים זעירים ויעילים פרופ’ עמנואל פלד ופרופ’ דיאנה גולודניצקי מבית הספר לכימיה מפתחים מצברים שניתן להתקינם, בין השאר, בתוך קפסולות לבליעה – למטרות רפואיות, או בחיישנים זעירים – לשימושים ביטחוניים.
חוקרים בכל העולם מנסים היום לפתח מענה מקיף לצורך במצברים זעירים: מיקרו-מצברים שמפיקים זרם גבוה וגם פועלים לאורך זמן. “המצברים המקובלים בנויים ממספר שכבות – קטודה, אנודה, אלקטרוליט ואוסף זרם, שיוצרים ביניהם תגובה אלקטרוכימית המפיקה חשמל,” מסבירה פרופ’ גולודניצקי. “כשמקטינים את כמות החומר כדי לבנות סוללה זעירה, פוחתת גם כמות האנרגיה, והסוללה אינה יעילה. בנוסף, האלקטרוליט הוא נוזל רעיל שעלול לדלוף, ולכן סוללות מסוג זה אינן מתאימות לשימושים רפואיים, בתוך גוף האדם. כמו כן, מצברים קטנים עם שכבות דקות של אלקטרוליט מוצק, שפותחו לפני כ-15 שנה, זקוקים לטעינות תכופות מדי. פרופ’ מנחם נתן מהפקולטה להנדסה הציע פתרון מבריק: שבב סיליקון מחורר, המכיל מספר גדול של מצברים בממדי ננו. קבוצת המחקר שלנו מפתחת מצברים זעירים המתבססים על הרעיון של פרופ’ נתן.”
המצברים הזעירים בנויים לתוך שבב סיליקון תלת-ממדי, ששטחו 1 סמ”ר ועוביו 500 מיקרון, ובו 20,000 עד 30,000 חורים דקים, בקוטר 50-30 מיקרון, ובמרחק 10 מיקרון זה מזה. בעזרת שיטות חכמות של ‘כימיה רטובה’ – תהליכי ציפוי שונים בתוך תמיסות – מצליחים החוקרים למקם בכל אחד מהחורים שכבות דקות המרכיבות ננו-מצבר עצמאי. בסך הכל מציע השבב פי 10 עד 40 יותר חומר פעיל לייצור חשמל, והספק גבוה פי 10 ליחידת שטח, בהשוואה למיקרו-מצברים אחרים.
“אנו מפתחים מגוון מצברים העשויים מננו-חומרים שונים, כדי לספק מתח נכון לצרכים ולשימושים שונים,” אומרת פרופ’ גולודניצקי. “לדוגמה, תאים סולאריים זקוקים למתח נמוך של 2-1.5 וולט, ומצברים המשמשים למטרות רפואיות פועלים בדרך כלל על מתח של 3 וולט ומעלה.” היישומים הפוטנציאליים של המצברים הזעירים רבים מאוד: שתלים שמשחררים תרופות בגוף באופן מבוקר; קפסולות לבליעה הנושאות מיקרו-מצלמות להדמיה פנימית של מערכת העיכול (אנדוסקופיה); שתלים באוזן המסייעים לשמיעה; קוצבי לב; חיישנים למדידת לחץ דם או רמת האינסולין בדם; אגירת אנרגיה המופקת מהשמש על-ידי תאים סולאריים קטנים; חיישנים לניתור סביבתי ומדידת לחץ אטמוספרי; חיישנים הפזורים בשטח למטרות ביטחוניות; ועוד.
תאי דלק ירוקים
במחקרים אחרים נעזרו החוקרים בשיטות של ננוטכנולוגיה כדי לקדם יישומים מתחום האנרגיה, ובעיקר תאי דלק ‘ירוקים’ ונקיים. “תא דלק הוא מתקן אלקטרוכימי שממיר באופן רציף אנרגיה כימית של דלק (כמו מימן) וחומר מחמצן (כמו חמצן או אוויר) – לאנרגיה חשמלית,” מסביר פרופ’ פלד. “תאי הדלק הירוקים ידידותיים לסביבה, מכיוון שהם פולטים רק מים וחום לאטמוספרה, ובעשור האחרון הם מעוררים עניין רב ברחבי העולם – כאמצעי לייצור ולאגירת אנרגיה בכלל ואנרגיה נקייה בפרט. הם יכולים לשמש לאגירת חשמל המיוצר מאנרגיית הרוח או השמש, ולאספקת חשמל לרשת או לבתים בודדים (בשילוב עם מיזוג אוויר), וכמובן גם למכשירים ניידים; אולם היישום המבטיח ביותר היום הוא הנעת כלי רכב חשמליים.”
מרכיב חשוב בתאי הדלק הם הזרזים – חלקיקים ננומטריים שמאפשרים את תהליכי החמצון-חיזור המתרחשים בתא הדלק. הזרזים הקיימים היום עשויים בדרך כלל מננו-חלקיקים של פלטינה – מתכת יקרה במיוחד, שעלותה מגבילה מאוד את השימוש בתאי דלק. למעשה, מחיר הזרזים כיום הוא כמחצית ממחירו של תא הדלק כולו. כדי לייעל ולהוזיל את היישומים, פיתח הצוות של פרופ’ פלד זרזים מסוג חדש: גרעין ננומטרי העשוי ממתכת אחרת, יקרה פחות, עטוף בקליפה דקה או בתת-קליפה של פלטינה או סגסוגת פלטינה. זרזים אלה מיוצרים בטכניקה נוחה של שיקוע אל-חשמלי, בטמפרטורת החדר. הם מפחיתים משמעותית את עלות תא הדלק, ובה בעת אינם פוגעים בביצועיו, ולעתים אף משפרים אותם.
פרופ’ עמנואל פלד מבית הספר לכימיה של אוניברסיטת תל אביב הוא מדען בעל שם עולמי בתחום תאי דלק ומצברים. הוא היה בין מייסדיהן של שתי חברות הזנק חדשניות, Chemtronics ו-EnStorage, המבוססות על טכנולוגיות שפותחו במעבדתו. כמו כן פיתחה קבוצתו תאי דלק ייחודיים, שרשמו שיאי עולם בתפוקת חשמל. פרופ’ פלד שימש כראש מרכז וולפסון למחקר שימושי בחומרים ומרכז גורדון ללימודי אנרגיה באוניברסיטת תל אביב וכמנהל מרכז הידע לתאי דלק וסוללות של משרד המדע והטכנולוגיה. הוא פרסם מעל 150 מאמרים, רשם יותר מ-40 פטנטים, וזכה בפרסים יוקרתיים בארץ ובעולם.
פרופ’ דינה גולודניצקי מבית הספר לכימיה של אוניברסיטת תל אביב מתמחה בתחום האלקטרוכימיה, עם דגש על מצברי ליתיום ואגירת אנרגיה באמצעים אלקטרוכימיים.
היא פרסמה יותר מ-80 מאמרים מדעיים ושלושה פרקים בספרים מדעיים, מחזיקה ב-12 פטנטים והייתה בין מייסדי חברת ההזנק DEVIS electroscopy. פרופ’ גולודניצקי מקיימת שיתופי פעולה בינלאומיים עם מדענים מובילים בארה”ב וברחבי אירופה, וחברה במערכת כתב-העת המדעי The Open Electrochemistry Journal.
