קבלי-על ונפלאות השכבה הכפולה

תופעת השכבה הכפולה ופיתוח קבלי העל נמצאים בחזית המחקר, הן האקדמי והן התעשיתי בכל העולם. גם בתחום זה ישראל מובילה את המחקר העולמי, ומציגה פיתוחים מתקדמים ומעשיים בשיתוף פעולה אקדמי-תעשיתי. מחקר רב מתבצע במסגרת המלא”כ- המרכז הלאומי להנעה אלקטרוכימית (INEP) בראשותו של פרופסור דורון אורבך מאוניברסיטת בר אילן.

בכל הנוגע לכימיה, העוסקת בקשרים בין אטומים, דווקא לחלקים היותר קטנים של האטום ההשפעה היותר מכרעת. האלקטרונים, חלקיקים תזזיים ושליליים כשלעצמם, הם האחראים על “מדיניות החוץ” של האטומים. בעזרת חלקיקים טעונים אלו, יוצרים האטומים קשרים האחד עם השני. אטומים יכולים להקשר על ידי שיתוף אלקטרונים (קשרים קוולנטים) או להעביר אלקטרונים מהאחד לשני (קשר יוני). ביצירת קשרים כימיים משנים האטומים את מצב החמצון שלהם, כלומר את המטען החשמלי שהם נושאים. תגובה כימית ככלל, ואלקטרוכמית בפרט, עוסקת בשינוי מצבי החמצון של האטומים המשתפים בה (redox reaction), כאשר הוספת אלקטרון הופכת את המטען הספציפי של האטום לשלילי ומסירת אלקטרון הופכת את מטענו לחיובי. האנרגיה הטמונה בקשר כזה היא בסדר גודל של כמה מאות קילו-ג’ול (kJ).

אולם האלקטרונים יכולים ליצור קשרים בין מולקולריים גם בלי לעבור מאטום אחד למשהו. קשרים אלו מכונים לעיתים ‘אלקטרוסטטים’, מכיון שהאלקטרונים נשארים סביב האטום שלהם, ולכן נכון יותר לקרוא להם אינטראקציות מאשר קשרים. אינטראקציות אלו חלשות יותר בכמה סדרי גודל, והאנרגיה האצורה בהן קטנה יחסית, בדרך כמה קילו-ג’ולים בודדים.

קשר אלקטרוסטטי הוא הכוח העומד מאחורי תופעה הנקראת “קיבול השכבה הכפולה” (Electric Double Layer Capacity, EDLC). כאשר טובלים משטח מוליך בתמיסה המכילה יונים, ומשרים עליו מטען חשמלי ממקור מתח חיצוני, היונים שבתמיסה, בעלי המטען הנגדי, נמשכים ונצמדים למשטח במשיכת מטענים נגדיים. הצמדות חלשה זו נקראת ספיחה אלקטרוסטטית, והאנרגיה העצורה בה נמוכה יחסית. אבל לעיתים החכמה היא לדעת להפוך חסרון ליתרון. בעזרת קצת יצירתיות והרבה אופטימיזציה, הצליחו המדע לא רק להכיר תופעה זו, אלא אף לרתום אותה לטובת האנושות.

אלא שמדענים צריכים להכניס כל רעיון לתוך נוסחאות כדי שיוכלו להתמודד ביעילות עם תופעה שגילו. וכדי לנסח זאת נכון יש להניח בתמיסה שני משטחים מוליכים, ובצורה כזו הם נקראים אלקטרודות. עכשיו, במקום להשרות מתח חשמלי על משטח אחד נפעיל מתח בין שתי האלקטרודות. על מנת להבין בצורה אינטואיטיבית מהו מתח חשמלי, נקרא לו בשמו היותר מדויק ‘הפרש פוטנציאלים’, כלומר הפרש מטענים- על אלקטרודה אחת מעמיסים מטען חיובי ועל השניה מטען שלילי. מערכת כזו היא מערכת מוכרת מאד בפיזיקה ונקראת קבל אלקטרוני (capacitor). מסתבר שיש גבול לכמות המטען שקבל כזה יכול לשאת והוא תלוי בגודל האלקטרודות ובמרחק ביניהן ומתעקש להתנהג על פי המשוואה:
C=Aε/d

כלומר הקיבול (C) גדל ככל שמגדילים את שטחן של האלקטרודות (A) וקטן ככל שהמרחק ביניהן (d) גדל. (ε הוא קבוע התלוי במערכת, ולצורך הפישוט נתעלם ממנו במאמר זה). קבלים כאלו נמצאים בשימוש נרחב במערכות אלקטרוניות רבות ותפקידם לספק את הזרם הדרוש למערכות אלו, כגון: זכרונות אלקטרוניים, מערכות גילוי ובקרה, מיקרופונים, מתקנים להמרת אנרגיה ועוד. עולמינו המתועש והממוכשר היה צמא עד מאד למערכות ניידות המסוגלות לאגור ולמסור אנרגיה. ומדוע אם כן אין הקבלים אינם מפורסמים לאדם הממוצע שלא עוסק באלקטרוניקה? התשובה היא שקיבול האנרגיה של מערכות אלו מצומצם ביותר. למען האמת כדי לספק אנרגיה חשמלית השווה לזו של בטריית אצבע AA, היה צריך להציב במקביל שתי אלקטרודות בשטח של כעשרה מגרשי כדורגל כל אחת. זה בהחלט לא נוח.

כאן נכנסת לתמונה תופעת השכבה הכפולה. מסתבר שקבל שכבה כפולה באותו גודל מסוגל להגיע לקיבול הגדול פי מיליון ויותר מקבל קלאסי (עד 200 פאראד לגרם). לא פלא שהוא נקרא קבל-על (super capacitor).

כיצד הוא עושה את זה? התשובה כרוכה בעיצוב האלקטרודות של קבל העל: הן אינן משטחים חלקים אלא בנויות מחומר נקבובי ביותר וכתוצאה מכך בעל שטח פנים גבוה. בדרך כלל משתמשים בפחם פעיל (activated carbon), שהוא לא יקר, מוליך טוב ובעיקר בשל העובדה שניתן לנקב אותו בקלות כמו ספוג כך שהוא מגיע לשטח פנים הקרוב מאד לגבול התאורטי- מעל 2,000 מטר רבוע בגרם אחד. אם נחזור ונעיין במשוואת הקיבול נבין מיד את ההשלכה המכרעת של שטח הפנים (A) העצום על העליה בקיבול של קבלי-על.

אבל זה לא הכל. ישנו פרמטר נוסף במשואה והוא המרחק בין האלקטרודות (d). יצרני קבלים קלאסיים נתקלים במגבלה כאשר מנסים להקטין את המרחק. מתחת למרחק מינימלי האלקטרודות פשוט “ירקו” חשמל האחת על השניה (המרחק המינימלי תלוי במתח בינהן). קבלי-על עושים שימוש בתופעת השכבה הכפולה: האלקטרודות יכולות להימצא במרחק רב האחת מהשניה (כמה מאות מיקרו-מטרים) מכיוון שהמרחק עבור אגירת האנרגיה נמדד בין האלקטרודה ובין היונים הנצמדים אליה מן התמיסה. נצייר מודל מופשט: היונים בעלי המטען ההפוך לזה בו טענו את האלקטרודה, נצמדים אל האלקטרודה ומכסים את כל פני המשטח ובעצם יוצרים מעין שכבה שניה טעונה המקבילה לשכבת האלקטרודה (ומכאן השם- שכבה כפולה) . מהו המרחק בין שני המשטחים? זוהי נקודת המפתח: בתוך התמיסה כל יון מוקף כמו בצל בשכבות של מולקולות הממס המכונה שכבת סולבציה (solvation layer), מאחר וכך, כאשר היון בא להצמד אל האלקטרודה שכבת הממס ניצבת בינו לבין מושא משיכתו ולא מאפשרת מגע בינהם. אם כן התשובה לשאלה מה המרחק בין שני המשטחים הטעונים היא- קוטר מולקולת הממס, שבדרך כלל מוערך בכמה אנגסטרמים (10-10 מטר) בלבד. אם נזכר במיקומה של האות d במכנה של משוואת הקיבול, נבין את חשיבות הקטנת המרחק בין האלטקרודות. תופעת השכבה הכפולה מתגברת על הקשיים הטכניים של הצבת שתי אלקטרודות צמודות כל כך בדרך מתוחכמת ויפה: “הקמת” אלקטרודה חדשה של יוניים שעל פי ההגדרה צמודה לאלקטודה הישנה. באופן זה מושג שיפור דרמטי כל כך בקיבול של קבלי-על.

קבלי על הולכים ותופסים את מקומם בשוק אחסון האנרגיה. התחום נשלט ביד רמה על ידי סוללות, שמנגנון אגירת האנרגיה שלהן כרוך בתגובות כימיות עתירות אנרגיה. אמנם ישנן יתרונות בולטים גם לאינטראקציות החלשות של קבלי-על.

תגובות אלקטרוסטטיות מהירות הרבה יותר מתגובות כימיות הכרוכות ביצירת חומרים חדשים, ולכן בעוד סוללות פורקות את האנרגיה העצורה בהן בצורה איטית ובזרמים נמוכים, קבלי-על יכולים למסור את האנרגיה האגורה בהם תוך שניות בודדות. במערכות שהן יש צורך בפולסים קצרים ורבי אנרגיה ישנה עדיפות לשימוש בקבלי-על. דוגמה חשובה המצריכה אנרגיה רבה בזמן קצר היא מערכת החירום שהותקנה במטוסים של חברת איירבוס. תחום שימוש נוסף הנמצא בפיתוח מואץ בשנים האחרונות הוא הרכב החשמלי. מקור הכוח העיקרי בו הוא סוללה עתירת אנרגיה, אך כדי לבצע האצות או זינוק בעליה נדרש פולס מהיר ועצבני של זרם אלקטרוני ואת זה יכול לספק קבל-על הצמוד לסוללה.

תופעת השכבה הכפולה ופיתוח קבלי העל נמצאים בחזית המחקר, הן האקדמי והן התעשיתי בכל העולם. גם בתחום זה ישראל מובילה את המחקר העולמי, ומציגה פיתוחים מתקדמים ומעשיים בשיתוף פעולה אקדמי-תעשיתי. מחקר רב מתבצע במסגרת המלא”כ- המרכז הלאומי להנעה אלקטרוכימית (INEP) בראשותו של פרופסור דורון אורבך מאוניברסיטת בר אילן.