סוללות ליתיום מבטיחות למכוניות חשמליות עתידיות

מדוע זַרְחָת-ליתיום-ברזל (lithium iron phosphate), המועמדת לשימוש בסוללות ליתיום עתידיות, מסוגלת להוליך חשמל למרות היותה מורכבת מחומרים מבודדים? כימאים ב- CNRS בשיתוף פעולה עם צוות מחקר מ- CEA-Liten, הצליחו לשפוך אור על פרדוקס זה

“מודל הדומינו המדורג”, שאושש ניסיונית על ידם, הראה כי לחצים מקומיים בתוככי החומר מאפשרים העברת מוליכות יונית וחשמלית מאזור אחד למשנהו, כך שמתאפשרת פעילות כוללת של סוללה. תוצאות מחקר זה פותחות אופקים חדשים לחלוטין בחיפוש אחר חומרים משופרים לשימוש כאלקטרודות סוללה ומסייעות להסביר כיצד עובדת סוללת רכבי-החשמל העתידיים.

סוללות יוני-ליתיום, אשר מכילים פי שלושה עד ארבעה יותר אנרגיה ליחידת מסה יחסית לסוללות נפוצות, משמשות עתה באופן נרחב בהתקני חשמל ניידים (מחשבים, טלפוניים סלולאריים, נגני MP3 וכדומה). החומרים המרכיבים את האלקטרודה החיובית של סוללות אלו יעילים ביותר אך יקרים מידי לשימוש בסוללות גדולות הנדרשות לרכבים חשמליים והיברידיים.

בעתיד, ייתכן כי יישומים אלו יתבססו על החומר זרחה-ברזל-ליתיום – הוא אינו מסוכן לסביבה, בעל תכונות מיוחדות, לא יקר ובעל יציבות תרמית טובה (תכונה חשובה בהיבטי בטיחות). כל התכונות הללו הופכות אותו למועמד הטוב ביותר לשימוש בסוללות ליתיום של רכבי-החשמל העתידיים. אולם, לחומר זה, לכאורה, אין את תכונות המוליכות היונית והחשמלית הנדרשות לגרום לאלקטרודה לעבוד.

הכימאים ממכון CNRS ועמיתיהם הפכו לראשונים להסביר את הפרדוקס הזה. באמצעות חקר החומר זרחה-ברזל-ליתיום הם הראו כי הזרם החשמלי הנע בסוללה מקורו בתהליך של “דומינו מדורג”. תופעה זו מתרחשת ברגע שבו לחצים מקומיים ופנימיים מופעלים על הממשק שבין החומר המשתחרר לבין החומר המצוי במצב החופשי. או אז, המוליכות החשמלית והיונית מתפשטת במהירות רבה מאותה נקודת הממשק ועוברת מנקודה אחת לאחרת בדומה להתנהלות של קוביות דומינו. המודל אושש באמצעות מדידות מיקרוסקופיות.

תהליך תגובה חדיש זה, הדומה לגל השוטף את הגביש כולו, מסביר כיצד שילוב של שני חומרים מבודדים (אחד במצב טעון והשני במצב לא-טעון) יכול, למרות זאת, להפעיל סוללות של יוני-ליתיום. ממצאים אלו הינם צעד חשוב קדימה בחיפוש אחר חומרים חדשים, זולים ובטיחותיים יותר, להכנת אלקטרודות בסוללות ליתיום. המחקר אפשר גם להבין מהו התהליך המתרחש ברמה הננומטרית של סוללות המבוססות על חומר זה.

ההודעה לעיתונות של מכון המחקר