סוללות ננוטכנולוגיות חדשות

בכדי לחסוך כסף ואנרגיה אנשים רבים רוכשים היום רכבים חשמליים היברידיים או מתקינים לוחות סולאריים בגגות בתיהם. אולם בשתי המערכות הללו ישנה מכשלה – הטכנולוגיה המשמשת לאחסון האנרגיה והכוח החשמלי אינן יעילות דיין. חוקרים מאוניברסיטת מרילנד מבקשים לפתור את הבעיה באמצעות ננוטכנולוגיה

חוקרים מהמרכז לננוטכנולוגיה של מרילנד באוניברסיטת מרילנד פיתחו מערכת חדשה לאחסון אנרגיה חשמלית המבוססת על מקורות אנרגיה חלופיים, שהינם, במקרים מסוימים, יעילים יותר פי עשרה מאלו הקיימים היום בשוק.

בכדי לחסוך כסף ואנרגיה אנשים רבים רוכשים היום רכבים חשמליים היברידיים או מתקינים לוחות סולאריים בגגות בתיהם. אולם בשתי המערכות הללו ישנה מכשלה – הטכנולוגיה המשמשת לאחסון האנרגיה והכוח החשמלי אינן יעילות דיין.

סוללות המתאימות לרכבים אינן אוגרות בתוכן מספיק אנרגיה לנסיעה למרחקים ארוכים, ובנוסף – נדרשות שעות להטעינן והן אינן מספקות די עוצמה להאצה. מקורות מתחדשים כגון אנרגיית השמש והרוח מספקים אנרגיה רק חלק מהזמן, והתקנים לאחסון האנרגיה הנובעת מהם יקרים ובלתי-יעילים מספיק.

חוקרים מאוניברסיטת מרילנד פיתחו מערכות חדשות לאחסון אנרגיה חשמלית שנובעת ממקורות אנרגיה חלופיים, שהינן, במקרים מסוימים, יעילות פי עשרה מאלו הקיימות בשוק. ממצאי המחקר שלהם הופיעו לאחרונה בכתב-העת Nature Nanotechnology.

“מקורות אנרגיה מתחדשים כגון אנרגית שמש ורוח מהווים מאגר אנרגיה בלתי-צפוי הרגיש לשעות היום ולתקופות השנה, זאת בשעה שאת האנרגיה הנובעת מהם יש להמיר ולאחסן כאנרגיה חשמלית עד שעת הביקוש,” אמר Gary Rubloff, מנהל המרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת מרילנד.”

“התקנים שכיחים לאחסון והעברת אנרגיה חשמלית – סוללות וקבלים – אינם מסוגלים לספק את השילוב ההכרחי של צפיפות אנרגיה גבוהה, עוצמה רבה וטעינה מהירה החיוניים כולם לדרישות האנרגיה העתידיות שלנו.”

צוות המחקר פיתח שיטה להגברה משמעותית בביצועיהם של התקני אחסון לאנרגיה חשמלית. באמצעות השימוש בתהליך חדש החשוב לננוטכנולוגיה הם הכינו מיליוני ננו-מבנים זהים בעלי צורות המתאימות להעברת אנרגיה של אלקטרונים במהירות אל וממשטחים רחבים מאוד שם הם אגורים. חומרים שונים, כמובן, מתנהגים בהתאם לחוקי-טבע פיסיקליים. החוקרים ניצלו שילוב נדיר של התנהגויות אלו, המכונות התגודדות עצמית (self-assembly), תגובה מוגבלת מעצמה (self-limiting reaction) והערכות עצמית (self-alignment) בכדי לבנות מיליוני, ובעצם אינסוף, ננו-מבנים זעירים, זהים למעשה, המסוגלים לקלוט, לאחסן ולהעביר אנרגיה חשמלית.

“התקנים אלו מנצלים שילובים ייחודיים של חומרים, תהליכים ובניית מבנים בכדי למטב הן את האנרגיה והן את צפיפות הכוח – שילובים אשר, בהילקחם יחדיו, הינם בעלי הבטחה אמיתית ליצירת הטכנולוגיה היישומית של הדור הבא, ומסביבה, כך מקווים, תחום חדש של כלכלה טכנולוגית,” מוסיף החוקר הראשי.

מטרתה העיקרית של מערכת אחסון לאנרגיה חשמלית הינה להשיג, בו-זמנית, הן כוח רב והן צפיפות אנרגיה גבוהה בכדי לאפשר להתקנים לאגור כמויות גדולות של אנרגיה, להעביר אותה בעוצמה גדולה ולהטעינה במהירות,” הוא מציין.

התקני אחסון לאנרגיה חשמלית נכנסים לשלוש קטגוריות שונות. סוללות, במיוחד מיוני ליתיום, מאחסנות כמויות גדולות של אנרגיה אך אינן מסוגלות לספק כוח גבוה או טעינה מהירה. קבלים אלקטרוכימיים, המבוססים על תופעות אלקטרוכימיות, מספקים גם הם כוח גבוה על חשבון צפיפות אנרגיה נמוכה. בניגוד לכך, קבלים אלקטרוסטאטיים מתבססים על אמצעים פיסיקליים בלבד, באחסנם מטען חשמלי ע”פ השטח של שני מוליכים. זה מאפשר להם לספק כוח רב וטעינה מהירה אך במחיר של צפיפות אנרגיה נמוכה.

ההתקנים החדשים של צוות המחקר הינם ננו-חלקיקים אלקטרוסטאטיים המגבירים בשיעור חד את צפיפות אחסון האנרגיה של התקנים כאלה – בפקטור של כעשר יחסית להתקנים מסחריים קיימים – ללא ויתור על הכוח הגבוה שהם מספקים באופן שכיח. התקדמות זו מביאה התקנים אלקטרוסטאטיים לרמת ביצועים ברת-תחרות לקבלים אלקטרוכימיים ומציגה מועמד חדש בתחום הדור הבא של אחסון אנרגיה חשמלית.

היכן יופיעו ננו-התקנים אלו? החוקרים מדגישים כי הם מפתחים את הטכנולוגיה עבור ייצור המוני כשכבות של התקנים שנראים כגון לוחות דקיקים, בדומה ללוחות סולאריים או צגים דקים במחשבים ובטלוויזיות, שכולם נמכרים במחירים נמוכים. מספר לוחות אחסון אנרגיה כאלו יחוברו יחדיו לתוך סוללת רכב או לוח סולארי. בעתיד לבוא, הם צופים כי אותה הננוטכנולוגיה תוכל לספק שיטות לכידת אנרגיה חדשות שיוכלו להיכלל בהתקני אחסון מסחריים.

התקדמות זו הגיעה מעט אחרי הישג אחר – שיפור משמעותי בביצועיהם של קבלים אלקטרוכימיים המכונים “על-קבלים” שנעשה ע”י אותה הקבוצה ופורסם לאחרונה בכתב-העת Journal .of the American Chemical Society נעשים מאמצים להשגת התקדמות דומה בצפיפות האנרגיה של סוללות יוני ליתיום אך עם צפיפות עוצמה גבוהה יותר.

“ההצלחות של אוניברסיטת מרילנד מבוססות על שיתוף הפעולה של מומחים המגיעים ממגוון נרחב של תחומי הננו-מדעים והננוטכנולוגיה עם מדענים שנמצאים כבר עכשיו במרכז מחקרי האנרגיה,” אומר החוקר הראשי.

הידיעה מהאוניברסיטה