סוללת ליתיום-חמצן משופרת, תאפשר שיפור יכולת המכוניות החשמליות

סוללת ליתיום-חמצן מסוג חדש, העושה שימוש בננו-חלקיקי זכוכית של תחמוצת ליתיום, תוכל לספק אנרגיה מרובה יותר, וכן יעילות אנרגטית ויציבות גבוהות יותר, זאת לטענת החוקרים.

סוללות מסוג ליתיום-אוויר נחשבות לטכנולוגיות מבטיחות במיוחד עבור מכוניות חשמליות והתקנים אלקטרוניים ניידים, זאת בזכות יכולתן לספק אנרגיה גבוהה יחסית למשקל שלהן. יחד עם זאת, לסוללות מהסוג הזה יש מספר חסרונות רציניים: הן מנצלות כמות ניכרת מהאנרגיה המושקעת בהן בתור חום מבוזבז והן מתפרקות מהר יחסית. בנוסף, הן גם נדרשות לרכיבים יקרים במיוחד לשם יניקת גז החמצן פנימה והחוצה, בתצורה של תא פתוח השונה מאוד מסוללות אטומות רגילות. אולם, גרסה חדשה של מערכת אלקטרוכימית, שתוכל לשמש בתוך סוללה רגילה אטומה לחלוטין, מבטיחה ביצועים תיאורטיים ברמה של סוללות ליתיום-אוויר, בעודה מתגברת על כל החסרונות הללו.

הסוג החדש של הסוללה, המכונה בשם סוללת ננו-ליתיה קתודה, מתוארת בכתב-העת המדעי Nature Energy במאמר פרי עטו של Ju Li, פרופסור למדעים ולהנדסה של הגרעין ב-MIT, יחד עם עמיתיו מאוניברסיטת פקין בסין. אחד מהחסרונות של סוללות ליתיום-אוויר, מסביר החוקר, היא העדר מתאם בין המתח הכרוך בטעינת ופריקת הסוללה. מתח הסוללה הנפלט נמוך ב-1.2 וולט מהמתח המשמש לטעינה שלה, מה שמציג אובדן אנרגיה משמעותי בכל אחד ממחזורי הטעינה. “אתה מאבד 30% מהאנרגיה החשמלית בתור חום הנפלט במהלך הטעינה. הסוללה ממש מתחממת אם מטעינים אותה פרק זמן ארוך מדי,” הוא מוסיף ואומר. סוללות ליתיום-אוויר יונקות חמצן מהאוויר שבסביבה על מנת להאיץ את התגובה הכימית יחד עם הליתיום הנמצא בסוללה במהלך מחזור הפריקה, וחמצן זה משתחרר לאחר מכן שוב לאטמוספירה במהלך התגובה הנגדית של מחזור הטעינה.

בגרסה החדשה, התגובות האלקטרוכימיות המתרחשות בין הליתיום לבין החמצן במהלך שלבי הטעינה והפריקה מתבצעות מבלי שהחמצן חוזר למצבו הגזי. במקום זאת, החמצן נותר בתוך המוצק ועובר בין שלושת מצבי החמצון האפשריים שלו, בעודו קשור לשלושה סוגים שונים של תרכובות כימיות מוצקות: Li2O, Li2O2 ו-LiO2 המעורבבות יחדיו בתור זכוכית. מצב זה מפחית את אובדן המתח בפקטור של חמש, מ-1.2 וולטים ל-0.24 וולטים בלבד, כך שרק 8% מהאנרגיה החשמלית מומרת לחום. “המשמעות היא טעינה מהירה יותר ברכבים, זאת מכיוון שפליטת החום ממארז הסוללה גורמת לצמצום הסיכון הבטיחותי, וכן השגת יעילות אנרגטית גבוהה יותר,” מסביר החוקר הראשי.

גישה זו מסייעת להתגבר על בעיה נוספת בסוללות מסוג ליתיום-אוויר: כאשר התגובה הכימית המעורבת בטעינה ובפריקה ממירה את החמצן בין מצבו הגזי למצבו המוצק, החומר עובר שינויי נפח גדולים מאוד שעלולים להפריע למסלולי העברת המטען החשמלי במבנה, תוצאה שעלולה להפחית את אורך חייה של הסוללה. הסוד לתערובת החדשה טמון בייצור של חלקיקים זעירים, ברמה הננומטרית, הכוללת בתוכה הן ליתיום והן חמצן בצורת זכוכית, מוחזקים היטב בתוך משטח של תחמוצת קובלט. החוקרים מכנים את החלקיקים הללו בשם ‘ננו-ליטיה’ (nanolithia). במצב זה, המעבר בין Li2O, Li2O2 ו- LiO2 יכול להתרחש כל כולו בתוך החומר המוצק, מסביר החוקר. באופן רגיל, חלקיקים מעין אלו אמורים להיות מאוד בלתי-יציבים, ולכן החוקרים קיבעו אותם בתוך משטח תחמוצת הקובלט, חומר דמוי-ספוג הגדוש בנקבוביות בגודל של מספר ננומטרים בלבד. משטח זה מייצב את החלקיקים ומשמש גם כזרז למעבר בין הצורות השונות שלהם.

סוללות ליתיום-אוויר רגילות, מסביר החוקר, הן למעשה “סוללות חמצן וליתיום יבש מאחר ורכיבים אלו אינם יכולים להתמודד עם לחות או פחמן דו-חמצני”, כך שאלו אמורים להיות מופרדים כהלכה מהאוויר הנכנס לתוך הסוללה. “בסוללות רגילות אתה נדרש למערכות עזר מגושמות על מנת להרחיק את המים והפחמן הדו-חמצני מהמערכת, והדבר די מאתגר.” לעומת זאת, הסוללה החדשה, שאינה עושה שימוש ביניקת אוויר מהסביבה, נמנעת מבעיה זו. הסוללה החדשה מוגנת באופן מובנה גם מטעינת-יתר, אומר צוות המחקר, מאחר והתגובה הכימית במקרה זה הינה מוגבלת-עצמית – כאשר מתחילה טעינת-יתר, התגובה עוברת למצב אחר שמונע פעילות נוספת. “בסוללות רגילות המצב של טעינת-יתר עלול לגרום לנזק מבני בלתי-הפיך או אפילו לפיצוץ,” מסביר החוקר הראשי. אולם עם סוללת ננו-ליתיה, “טענו ביתר את הסוללה למשך 15 ימים, לשיעורים של פי מאות מקיבולה, ועדיין לא נראה כל נזק מבני”.

גרסת מעבדה של הסוללה החדשה עברה 120 מחזורי טעינה-פריקה, והפגינה אובדן קיבולת של פחות מ-2%, תוצאה המצביעה על כך כי הטכנולוגיה החדשה תוכל להיות יציבה לאורך זמן רב. מאחר והמערכת כולה מוצקה, ניתן יהיה להרכיב אותה בקלות במערכות קיימות ובתוך מארזים מסחריים של סוללות בענפי הרכב, האלקטרוניקה ואחסון אנרגיה. לאור העובדה כי הקתודות מסוג “חמצן מוצק” הינן קלות-משקל מאוד יחסית לקתודות של סוללות ליתיום-יון רגילות, העיצוב החדש יוכל לאגור כמות אנרגיה כפולה (לכל יחידת משקל) בהשוואה לסוללות קיימות. כל ההתקדמות הזו הושגה ללא הוספה של רכיבים או חומרים יקרים, מסביר החוקר. הפחמה שבה הם משתמשים בתור האלקטרוליט הנוזלי בסוללה היא האלקטרוליט הזול ביותר הקיים; ומשטח תחמוצת הקובלט שוקל פחות ממחצית משקלו של רכיב הננו-ליתיה. בסך הכול, המערכת החדשה היא “זולה ומהירה מאוד וניתנת להרכבה קלה”, מאשר סוללות ליתיום-אוויר רגילות, מציין החוקר.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר

במסגרת הגישה החדשה, חלקיקים ננומטריים מוצקים המורכבים מתרכובות של ליתיום וחמצן (בצבע אדום ולבן) מקובעים בתוך מבנה דמוי-ספוג של תחמוצת קובלט (צהוב) ששומר על יציבותם. [באדיבות החוקרים]