מהן סוללות גמישות במצב מוצק?

קבוצה של מדענים בינלאומיים פיתחה סוג חדש של סוללת מצב מוצק שיכולה להגדיל את טווח הרכבים החשמליים ולמנוע שריפות במחשבים ניידים וסמארטפונים. המחברים מתארים את הממצאים שלהם בחומרי אנרגיה מתקדמים. על ידי החלפת האלקטרוליטים הנוזליים המשמשים בסוללות נטענות קונבנציונליות בסוללות 'מוצקות', קרמיות, הם מסוגלים לייצר סוללות יעילות יותר, עמידות לאורך זמן, שגם בטוחות יותר לשימוש. חוקרים מקווים שהיתרונות הללו יכולים לסלול את הדרך לסוללות יעילות וירוקות יותר עבור כל מיני מכשירים, כולל מכוניות חשמליות.

מחברי המחקר, מארה"ב ומבריטניה, בחנו כבר זמן מה חלופות לאלקטרוליטים נוזליים בסוללות ליתיום יון. ב-2016 הם הכריזו על פיתוח סוללת מצב מוצק שיכולה לפעול במתח גבוה פי שניים מתאי ליתיום יון קונבנציונליים, אך ביעילות דומה.

בעוד שהעיצוב האחרון שלהם מייצג שיפור משמעותי בהשוואה לגרסה מוקדמת זו, החוקר פרופסור דונלד סדוווי מ-MIT מציין שעדיין יש מקום לשיפור: "השגת מוליכות יונית גבוהה בחומרים קרמיים בטמפרטורות גבוהות יכולה להיות קשה", הסביר. "זה היה הישג פורץ דרך". החוקרים מקווים שלאחר בדיקה הסוללות המשופרות הללו יתבררו כמתאימים לכלי רכב חשמליים או אפילו להנעת מטוסים.

בסוללות במצב מוצק מונעים נזקים עקב התחממות יתר על ידי שימוש באלקטרוליטים קרמיים ולא דליקים ונוזליים. אם הסוללה פגומה ומתחילה להתחמם יתר על המידה, האלקטרוליטים הקרמיים נגרמים במקום להידלק, מה שמונע ממנו להתלקח. הנקבוביות במבנה של חומרים מוצקים אלו גם מאפשרות להם לשאת עומס גבוה בהרבה של מטען חשמלי עם יונים הנעים דרך רשת מורחבת בתוך המוצק.

תכונות אלו אומרות שמדענים הצליחו להעלות הן את המתח והן את הקיבול של הסוללות שלהם בהשוואה לאלו המכילות אלקטרוליטים נוזליים דליקים. למעשה, אמר פרופסור סאדוווי: "הדגמנו תא ליתיום-אוויר עם 12 וולט הפועל ב-90 מעלות צלזיוס [194°F]. זה יותר ממה שהשיג כל אחד אחר."

לעיצוב הסוללה החדש הזה יש יתרונות פוטנציאליים נוספים על פני אלקטרוליטים דליקים, כולל העובדה שהאלקטרוליטים הקרמיים בדרך כלל יציבים יותר מאלקטרוליטים אורגניים. "הדבר המדהים הוא כמה טוב זה עבד", אמר פרופסור סאדוווי. "הוצאנו יותר אנרגיה מהתא הזה ממה שהשקענו בו."

יציבות זו יכולה לאפשר ליצרנים לארוז מספר רב של תאים מוצקים למחשבים ניידים או מכוניות חשמליות מבלי לדאוג שהם יתחממו יתר על המידה, מה שהופך את המכשירים לבטוחים הרבה יותר ומאריך את חייהם התפקודיים. נכון לעכשיו, אם סוללות מסוג זה מתחממות יתר על המידה, הן מסתכנות בהתלקחות - כפי שקרה לאחרונה עם הטלפון של סמסונג גלקסי נוט 7. הלהבות שנוצרו לא יוכלו להתפשט מכיוון שאין אוויר בתוך התאים כדי לקיים בעירה; אכן, הם לא יוכלו להתפשט מעבר למקום הנזק הראשוני.

חומרים מוצקים אלה הם גם עמידים מאוד; לעומת זאת, כמה ניסיונות לייצר סוללות ליתיום עם אלקטרוליטים נוזליים דליקים, הפועלות בטמפרטורות גבוהות יותר (מעל 100 מעלות צלזיוס), מתלקחות באופן שגרתי לאחר 500 או 600 מחזורים. האלקטרוליטים הקרמיים יכולים לעמוד ביותר מ-7500 מחזורי טעינה/פריקה מבלי להתלקח".

הממצאים החדשים עשויים להיות משמעותיים ביותר הן להרחבת טווח הרכבים החשמליים והן למניעת שריפות סמארטפונים. לדברי סאדוווי: "לדורות קדומים יותר של סוללות היו סוללות מתנע של עופרת חומצה [מכונית]. היה להם טווח קצר אבל הם היו אמינים להפליא", הוא אמר והוסיף כי החולשה הבלתי צפויה שלהם הייתה ש"אם היה חם יותר מכ-60 מעלות צלזיוס אז זה יתלקח."

סוללות הליתיום יון של היום, הוא מסביר, הן עליית מדרגה מזה. "יש להם טווח ארוך אבל הם עלולים להינזק מהתחממות יתר חמורה ולהתלקחות", הוא אמר והוסיף כי הסוללה החדשה של המצב המוצק היא פוטנציאלית "פריצת דרך בסיסית" מכיוון שהיא עלולה להוביל למכשירים אמינים ובטוחים הרבה יותר.

המדענים ב-MIT חושבים שהטכנולוגיה הזו עשויה להימשך חמש שנים כדי להפוך לשימוש נרחב, אבל אפילו בשנה הבאה הם מקווים לראות סוללות מסוג זה מותקנות בסמארטפונים של יצרנים גדולים כמו סמסונג או אפל. הם גם ציינו כי ישנם שימושים מסחריים רבים עבור תאים אלה מלבד טלפונים, כולל מחשבים ניידים וכלי רכב חשמליים.

עם זאת, פרופסור סאדואי מזהיר כי יש עוד דרך לעבור לפני שהטכנולוגיה תשתכלל. "יש לנו תא שנראה ממש מצוין אבל זה ימים מוקדמים מאוד... עדיין לא יצרנו תאים עם אלקטרודות בקנה מידה גדול, בצפיפות הספק גבוהה."

Sadoway מאמין שפריצת הדרך הזו תאומץ באופן נרחב באופן מיידי מכיוון שיש לה פוטנציאל לא רק לתדלק רכבי EV עם טווח גדול בהרבה, אלא גם למנוע שריפות של סמארטפונים. אולי מפתיעה יותר היא התחזית שלו שסוללות מצב מוצק יכולות להפוך לשימוש אוניברסלי תוך פחות מחמש שנים ברגע שרוב היצרנים ישתכנעו בבטיחותן ובאמינותן.