פרס נובל בכימיה לשנת 2019 למפתחי סוללות ליתיום-יון

האקדמיה השבדית למדעים העניקה היום את פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 לשלושה חוקרים על תרומתם בפיתוח של סוללת יון-ליתיום: באניסטר גודאינף, מנלי סטנלי וויטנגהם ואקירה יושינו. אמנם מדובר בהמצאה משנות השבעים, אך כיום יש התקדמות בתחום בזכות הצורך להאריך את המרחק שמאפשרות סוללות במכוניות חשמליות

האקדמיה השבדית למדעים העניקה היום את פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 לשלושה חוקרים על תרומתם בפיתוח של סוללת יון-ליתיום: באניסטר גודאינף, מנלי סטנלי וויטנגהם ואקירה יושינו.

סוללות יון ליתיום הובילו לפריצת דרך בכל היבטי חיינו והן משמשות בתחומים רבים, החל מטלפונים ניידים וכלה במחשבים ניידים ורכבים חשמליים. בזכות מחקריהם, חתני פרס הנובל לכימיה לשנת 2019 הניחו את הבסיס לחברה אלחוטית ונטולת דלק מאובנים. חברות שונות מפתחות כיום סוללות בעלות קיבולת ענקית כדי לאפשר אגירה של אנרגיה המופקת מהשמש בשעות היום לשימוש בשעות הלילה כדי להקל על המעבר לאנרגיה מתחדשת. למעשה מדובר בזכייה קלאסית לפי רוח צוואתו של אלפרד נובל – שהפרס צריך להינתן על המצאות שמקדמות את האנושות.

בתחילת שנות השבעים, סטנלי וויטנגהם, חתן פרס הנובל בכימיה לשנה זו, השתמש בכוחו האנרגטי של אטום הליתיום על מנת לשחרר את האלקטרון החופשי החיצוני ביותר שלו בזמן שהוא פיתח את סוללת הליתיום המתפקדת הראשונה אי פעם.

חתן פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 ג’ון באניסטר גודאינף הכפיל את הפוטנציאל של סוללת יון ליתיום, תוך שהוא יוצר את התנאים המתאימים לקבלת עוצמה גדולה יותר מהסוללה.

חתן פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 אקירה יושינו הצליח בשנת 1981 להחליף את הליתיום הטהור והדליק מהסוללה ובמקומה להשתמש ביוני ליתיום, שהם בטוחים יותר מליתיום טהור. החלפה זו אפשרה לחוקרים לספק מוצר מוגמר ובטוח לתעשייה ולחיי היומיום.

זוכי פרס הנובל בכימיה לשנה זו פיתחו את הסוללה העוצמתית ביותר בעולם

רק לעיתים רחוקות יסוד זוכה ליטול תפקיד מרכזי בדרמה, אולם לסיפור של פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 יש דמות ראשית: ליתיום, יסוד עתיק שנוצר במהלך הדקות הראשונות של המפץ הגדול. האנושות התוודעה אליו בשנת 1817, כאשר הכימאים השבדיים יוהאן אוגוסט ארפוודסון וינס יאקוב ברצליוס בודדו אותו מתוך דוגמת מינרל שהגיעה ממכרה בשבדיה.
ברצליוס קרא ליסוד החדש על שם המילה היוונית לאבן, ליתוס, בתור ליתיום. זהו היסוד המוצק הקל ביותר, עובדה המסבירה מדוע היום אנחנו כמעט ולא מרגישים במשקלם של הטלפונים הניידים הנמצאים בכיס שלנו. למען ההגינות, הכימאים השבדיים לא ממש מצאו ליתיום מתכתי טהור, אלא יוני ליתיום בצורה של מלח. ליתיום טהור גרם להתראות אש רבות, על שום רמת הדליקות הגבוהה שלו – זהו יסוד בלתי יציב שחייבים לשמרו בתו שמן על מנת שלא יגיב עם האוויר ויידלק.

החולשה של ליתיום – התגובתיות הגבוהה שלו – היא גם נקודת החוזקה שלו. בתחילת שנות השבעים של המאה הקודמת סטנלי וויטנגהם השתמש בכוחו האנרגטי של אטום הליתיום על מנת לשחרר את האלקטרון החופשי החיצוני ביותר שלו בזמן שהוא פיתח את סוללת הליתיום המתפקדת הראשונה אי פעם. בשנת 1980, ג’ון גודאינף הכפיל את הפוטנציאל של סוללת יון ליתיום, תוך שהוא יוצר את התנאים המתאימים לקבלת עוצמה גדולה יותר מהסוללה. בשנת 1985, אקירה יושינו הצליח להחליף את הליתיום הטהור והדליק מהסוללה ובמקומה להשתמש ביוני ליתיום, שהם בטוחים יותר מליתיום טהור. החלפה זו אפשרה לחוקרים לספק מוצר מוגמר ובטוח לתעשייה ולחיי היומיום. סוללות יון ליתיום סיפקו לאנושות את התועלת הגדולה מכולן, בכך שהן מאפשרות לפתח מחשבים ניידים, טלפונים ניידים, רכבים חשמליים ולאפשר אחסון של אנרגיה הנוצרת על ידי כוח השמש והרוח.
כעת, נחזור חמישים שנים אחורה לתחילת סיפורה של סוללת יון הליתיום.

תימרות עשן הבנזין מחיות מחדש את מחקרי הסוללות

במחצית המאה העשרים, מספר המכוניות המונעות בבנזין גאה משמעותית, ואדי הפליטה שנגרמו כתוצאה מנסיעתן ברחובות הרעו את מצב הערפיח המזיק שאפף ערים גדולות. מצב זה, בשילוב עם ההכרה ההולכת ותופסת אחיזה בציבור הרחב כי נפט ומוצריו מהווים מקור אנרגיה נדלה, השמיעו קול התראה הן עבור יצרני הרכבים והן עבור חברות נפט. הם נדרשו להשקיע ברכבים חשמליים ובמקורות אנרגיה חלופיים אם חפצה נפשן להמשיך ולשרוד.
רכבים חשמליים ומקורות אנרגיה חלופיים מחייבים שניהם סוללות עוצמתיות שתוכלנה לאגור כמויות גדולות של אנרגיה. בזמן זה היו בשוק רק שני סוגים של סוללות נטענות: סוללת העופרת הכבדה שהומצאה עוד בשנת 1859 (ואשר עדיין משמשת כסוללת התנעה ברכבים המונעים בבנזין) וסוללת ניקל-קדמיום שפותחה במחצית הראשונה של המאה העשרים.

חברות נפט משקיעות בטכנולוגיה חדשה

החשש מאזילת הנפט שבאדמה הוביל את חברת הנפט הענקית אקסון להחליט לגוון את הפעילויות שלה. במסגרת השקעה משמעותית שלה במחקר בסיסי החברה גייסה מספר חוקרים שהיו המובילים בתחומם בזמנו בתחום האנרגיה, והעניקה להם את החרות לחקור ככל העולה על רוחם, כל עוד מחקרם לא עסק בנפט.
החוקר סטנלי וויטנגהם היה אחד מאותם חוקרים שהגיעו לאקסון בשנת 1972. הוא הגיע מאוניברסיטת סטנפורד, שם הוא חקר חומרים מוצקים בעלי חללים בגודל אטומי שאליהם יכולים להיקשר יונים. תופעה זו נקראת בשם השלבה פנימה (intercalation). התכונות של החומר משתנות כאשר יונים נלכדים בתוכם. באקסון, סטנלי וויטנגהם ועמיתיו החלו לחקור חומרים על-מוליכים, לרבות טנטלום דיסולפיד, המסוגל ללכוד בתוכו יונים. הם הוסיפו יונים לחומר וחקרו כיצד הושפעה כתוצאה מכך המוליכות החשמלית של החומר.

וויטנגהם מגלה חומר עתיר-אנרגיה במיוחד

כפי שקורה במדע, ניסוי זה הוביל לתגלית בלתי צפויה ויקרת ערך. התברר כי יוני אשלגן השפיעו על המוליכות של טנטלום דיסולפיד, וכאשר סטנלי וויטנגהם החל לחקור בפרטי פרטים את החומר הוא שם לב כי הוא בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד. יחסי הגומלין שבין יוני האשלגן לבין הטנטלום דיסולפיד היו, למרבה ההפתעה, עתירי אנרגיה, וכאשר הוא מדד את המתח של החומר, הערך היה מספר וולטים. תוצאה זו הייתה טובה יותר מרבות מהסוללות שהיו באותו זמן. סטנלי הבין עד מהרה שהגיע הזמן לשנות את הנתיב והחל לפתח טכנולוגיה חדשה שתוכל לאגור אנרגיה עבור הרכבים החשמליים של העתיד. אולם, טנטלום הוא אחד מהיסודות הכבדים יותר והשוק המסחרי לא היה צריך סוללות כבדות משקל נוספות – כך שהוא החליף את הטנטלום ביסוד טיטניום, יסוד דומה בתכונותיו אך קל משקל יותר.

ליתיום באלקטרודה השלילית

הבחירה בליתיום לא הייתה בחירה אקראית; בסוללה, אלקטרונים אמורים לזרום מהאלקטרודה השלילית – האנודה – לאלקטרודה החיובית – הקתודה. לפיכך, האנודה צריכה להכיל חומר המוותר בקלות על האלקטרונים שלו, ומכל היסודות המוכרים לנו, ליתיום הוא היסוד שמוותר על האלקטרונים שלו בקלות ביותר.

התוצאה הייתה סוללת ליתיום נטענת שפעלה בטמפרטורת החדר עם פוטנציאל אדיר. סטנלי וויטנגהם נסע למטה אקסון בניו-יורק כדי להציג את המיזם שלו. הפגישה נמשכה חמש עשרה דקות וחבר ההנהלה הגיע להחלטה מהירה: הם יפתחו סוללה מסחרית על בסיס התגלית של וויטנגהם.
הסוללות הנטענות הראשונות הכילו חומרים מוצקים באלקטרודות, אשר התפרקו בתגובה כימית עם האלקטרוליט. מצב זה הרס את הסוללה. היתרון בסוללת הליתיום של וויטנגהם היה טמון בכך שיוני הליתיום נאגרו בחללים שבתוך הטיטניום דיסולפיד שהרכיבה את הקתודה. כאשר משתמשים בסוללה, יוני ליתיום נעים מהליתיום שבאנודה לטיטניום דיסולפיד שבקתודה. כאשר הסוללה נטענת, יוני הליתיום נעים בכיוון ההפוך.

הסוללה מתפוצצת ומחיר הנפט צונח

לרוע המזל, קבוצת המחקר שהתכוננה לייצר את הסוללה חוותה מספר מהמורות. ככל שסוללת הליתיום עברה טעינות חוזרות ונשנות, כך נוצרה שכבת משקע של ליתיום על גבי אלקטרודת הליתיום. כאשר חלקיקי שכבה זו הגיעו לאלקטרודה הנגדית, הסוללה חוותה קצר חשמלי שיכול היה להוביל לפיצוצה. מכבי האש נאלצו לכבות מספר דליקות ובסופו של דבר הם איימו לגרום למעבדה לשלם על הכימיקלים המיוחדים ששימשו לכיבוי דליקות ליתיום.
על מנת להפוך את הסוללה לבטוחה יותר, החוקרים הוסיפו אלומיניום לאלקטרודת הליתיום המתכתית והחליפו את האלקטרוליט שבין האלקטרודות. סטנלי וויטנגהם הכריז על התגלית שלו בשנת 1976 והחברה החלה לייצר את הסוללה הזו בקנה מידה קטן עבור יצרן שעונים שוויצרי שרצה להשתמש בה בשעונים מופעלי שמש.
היעד הבא היה להגדיל את נפח הייצור של סוללת הליתיום הנטענת כך שתוכל להפעיל מכונית. אולם, מחיר הנפט צנח דרמטית בתחילת שנות השמונים ואקסון הייתה צריכה לבצע קיצוצים. עבודת הפיתוח הוקפאה והפטנט על טכנולוגיית הסוללה של וויטנגהם הועברה לבעלותן של שלוש חברות שמוקמו בשלושה חלקים שונים בעולם. אולם, מצב זה לא הוביל לעצירת הפיתוח. כאשר אקסון הרימה ידיים, את עבודת הפיתוח המשיך החוקר גודאינף.

משבר הנפט גורם לגודאינף להתעניין בסוללות

בתור ילד, ג’ון גודאינף חווה בעיות רציניות בלימוד קריאה, עובדה אחת שהובילה אותו ללמוד דווקא מתמטיקה ובסופו של דבר – לאחר מלחמת העולם השנייה – ללמוד גם פיזיקה. הוא עבד במשך שנים רבות במעבדת לינקולן במכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT). בזמן עבודתו שם, הוא תרם לפיתוח של הטכנולוגיה של זיכרון גישה אקראית (RAM) המהווה עד היום רכיב בסיסי במחשבים.

ג’ון גודאינף, בדומה לאנשים רבים בשנות השבעים, הושפע ממשבר הנפט ורצה לתרום לפיתוח של מקורות אנרגיה חלופיים. אולם, מעבדת לינקולן מומנה על ידי חיל האוויר של ארה”ב שלא הרשתה כל סוג של מחקר, וכך כאשר הוצעה לו משרה כפרופסור לכימיה אי-אורגנית באוניברסיטת אוקספורד בבריטניה, הוא ניצל את ההזדמנות ונכנס לתחום החשוב של מחקר אנרגיה.

מתח גבוה מתקבל כאשר יוני ליתיום חבויים בתוך תחמוצת קובלט

ג’ון גודאינף הכיר את הסוללה המהפכנית של וויטנגהם, אולם הידע המעמיק שלו באשר לחומר הפנימי שבאלקטרודות הוביל אותו למסקנה כי הוא יוכל להשיג פוטנציאל גבוה יותר אם הוא יחליף את מתכת הסולפיד בתחמוצת מתכתית. לאחר מכן, מספר חוקרים בקבוצת המחקר שלו קיבלו את המשימה למצוא תחמוצת מתכת המולידה מתח גבוה כאשר היא מגיבה עם יוני ליתיום, אולם כזו שלא תתפרק כאשר היונים נגרעים ממנה.
מחקר שיטתי זה היה הרבה יותר מוצלח ממה שחלם עליו ג’ון גודאינף. הסוללה של וויטנגהם ייצרה יותר משני וולטים, אולם גודאינף גילה כי הסוללה שהכילה תחמוצת ליתיום-קובלט בקתודה הייתה עוצמתית יותר כמעט פי שניים, כלומר הולידה ערך של ארבעה וולטים.
אחד מהגורמים להצלחה זו הייתה ההבנה של ג’ון גודאינף כי הסוללות לא חייבות להיות מיוצרות במצבן הטעון, כפי שהיה מקובל בעבר. במקום זאת, הן יכלו לעבור טעינה לאחר מכן. בשנת 1980 הוא פרסם את התגלית אודות חומר קתודי חדש ועתיר אנרגיה זה, שגם היה קל-משקל, מה שהוביל לפיתוח של סוללות עוצמתיות עם קיבולת אנרגיה גבוהה. היה זה צעד ברור לעבר המהפכה האלחוטית.

חברות יפניות מפתחות סוללות קלות משקל עבור רכיבי אלקטרוניקה חדשים

אולם, במערב, ככל שהנפט הפך לזול יותר, גדל העניין בהשקעות בטכנולוגיה של אנרגיה חלופית ובפיתוח של רכבים חשמליים. הדברים היו שונים ביפן – חברות אלקטרוניקה שם כבר נואשו בחיפוש שלהם אחר סוללות נטענות וקלות משקל שתוכלנה להפעיל רכיבי אלקטרוניקה חדשניים, כגון מצלמות וידאו, טלפונים אלחוטיים ומחשבים. אחד מהאנשים שהתוודעו לצורך זה היה אקירה יושינו מחברת Asahi Kasei. או כפי שהוא ניסח זאת: “פשוט רחרחתי את הכיוון שאליו נותבו המגמות. אפשר לומר שהיה לי חוש ריח טוב”.

יושינו מרכיב את סוללת היון-ליתיום המסחרית הראשונה

כאשר אקירה יושינו החליט לפתח סוללה נטענת מתפקדת, הוא הכיר את הקתודה של גודאינף שהורכבה מליתיום-תחמוצת קובלט, ולפיכך הוא ניסה להשתמש במספר חומרים מבוססי-פחמן בתור האנודה. החוקרים ידעו כבר כי יוני ליתיום יכולים להיות משולבים בין השכבות המולקולאריות של גרפיט, אולם הגרפיט התפרק במגע עם האלקטרוליט שבסוללה. הרעיון המהפכני של אקירה יושינו הגיע כאשר הוא ניסה, במקום זאת, להשתמש בקוק-נפט (petroleum coke), תוצר לוואי של תעשיית הנפט. כאשר הוא טען את קוק הנפט באלקטרונים, יוני הליתיום נמשכו לתוך החומר. בשלב הבא, כאשר הוא הפעיל את הסוללה, האלקטרונים ויוני הליתיום זרמו לכיוון תחמוצת הקובלט שבקתודה, שלה היה פוטנציאל גבוה יותר.

הסוללה שפותחה על ידי אקירה יושינו היא יציבה, קלת משקל, בעלת קיבולת גבוהה ומייצרת מתח גבוה של ארבעה וולטים. היתרון הגדול ביותר של סוללת היון-ליתיום הוא בכך שהיונים משולבים בתוך האלקטרודות. מרבית הסוללות האחרות מתבססות על תגובות כימיות שבעקבותיהן האלקטרודות משתנות בוודאות, גם אם בקצב איטי. כאשר מטעינים או משתמשים בסוללת יון ליתיום, היונים זורמים בין האלקטרודות מבלי להגיב עם הסביבה שלהם. משמעות הדבר שלסוללה יש אורך חיים גדול ושהיא ניתנת לטעינה מאות פעמים לפני שהביצועים שלה הופכים לגרועים.

יתרון גדול נוסף טמון בכך שבסוללה אין ליתיום טהור. בשנת 1986, כאשר אקירה יושינו בדק את הבטיחות של הסוללה, הוא נקט באמצעי זהירות והשתמש במתקן מיוחד שנועד לבדוק התקנים בעלי פוטנציאל התפוצצות. הוא הפיל חתיכה גדולה של ברזל על גבי הסוללה, אולם דבר לא קרה. אולם, חזרה על הניסוי עם סוללה שהכילה ליתיום טהור הביאה להתפוצצות רצינית.
הצלחתה של הסוללה לעבור את מבדק הבטיחות הייתה חיונית לעתידה של הסוללה. אקירה יושינו אומר שזה היה “הרגע שבו נולדה סוללת היון-ליתיום”.

סוללת היון-ליתיום חיונית עבור חברה נטולת דלק מאובנים

בשנת 1991, חברה יפנית גדולה לממכר רכיבי אלקטרוניקה החלה למכור את סוללות היון-ליתיום הראשונות, מה שהוביל למהפכה בעולם האלקטרוניקה. טלפונים ניידים התכווצו בגודלם, מחשבים הפכו לנישאים ונגני מוזיקה ומחשבי לוח פותחו לראשונה.
בעקבות כך, חוקרים ברחבי העולם סרקו את הטבלה המחזורית של היסודות במטרה לפתח סוללות יעילות אף יותר, אולם אף אחד מהם עדיין לא הצליח להמציא מערכת יעילה יותר מסוללת היון-ליתיום מבחינת הקיבולת והמתח שהיא מייצרת. אולם, סוללת היון-ליתיום עברה שינויים ושופרה: בין יתר השיפורים, החוקר ג’ון גודאינף החליף את תחמוצת הקובלט בברזל-זרחה, החלפה שהופכת את הסוללה ליותר ידידותית לסביבה.

כמו לכל דבר אחר, גם לייצור של סוללות יון-ליתיום יש השפעה מזיקה על הסביבה, אולם יש לסוללות אלו גם תועלות סביבתיות רבות. הסוללות אפשרו את הפיתוח של טכנולוגיות אנרגיה נקיות יותר ולפיתוח של רכבים חשמליים, ולפיכך הן תרמו לצמצום הפליטה של גזי חממה וחלקיקים מזיקים.

בזכות עבודותיהם, החוקרים ג’ון גודאינף, סטנלי וויטנגהם ואקירה יושינו, יצרו את התנאים המתאימים עבור חברה אלחוטית ונטולת דלק מאובנים, ובכך תרמו את התרומה הגדולה ביותר לאנושות.

עוד בנושא באתר הידען:

סוללות ליתיום מהדור הבא: משך פעילות גבוה יותר, זמן טעינה נמוך
חומר חדשני שיוכל לחולל פריצת דרך ברכבי מימן
לבנות סוללות טובות יותר
ישראל בוחנת טעינה אלחוטית של כלי רכב חשמליים