ad1
חדשות

הדור הבא של הסוללות כבר כאן בדרך למהפכה בעולם האלקטרוני

פרס נובל בכימיה הוענק ב-2019 לשלושה חוקרים על פיתוחן של סוללות ליתיום-יון נטענות, קלות ויעילות. מדובר בסוללות שמתיימרות להחליף את סוללות ליתיום-יון שנכנסו לחיינו לפני כמעט שלושה עשורים. סוללות ליתיום יון הפכו למרכיב מרכזי בחיינו, והיו אבן דרך חשובה בקפיצת הדרך הטכנולוגית של שנות ה-2000.  כיום סוללות ליתיום-יון משמשות במכשירים אלקטרוניים, ובמכשירים חשמליים רבים משואבי אבק ביתיים ועד כלי עבודה מקצועיים כמו מקדחות ומסורים. מכוניות חשמליות ומהפכת כלי הרכב הדו-גלגליים החשמליים, כמו אופניים וקורקינטים, התחוללה במידה רבה בזכות הפיתוח הזה.

טלפונים סלולריים חכמים נכנסו לחיינו בעשור הראשון של המאה עם השקת הדור הראשון של I-Phone של חברת אפל. הטכנולוגיה של הטלפונים הסלולריים התפתחה ב-15 השנים האחרונות והדורות האחרונים של הטלפונים הסלולריים טובים בהרבה מהטלפונים הסלולריים שלפני 15 שנה. התפתחויות אלו התאפשרו בעקבות פיתוח של סוללות ליתיום-יון.

כיום, אי אפשר לתאר את חיינו בלי הטלפונים הסלולריים המודרניים, וטלפונים אלו דורשים סוללות טובות יותר, בטוחות יותר, עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (יותר חשמל ליחידת משקל ונפח), וזמן טעינה קצר יותר. אלא שהמדענים והמהנדסים מאמינים כי טכנולוגיית סוללות הליתיום-יון המסורתית מתקרבת למלוא הפוטנציאל שלה ויש צורך בסוגים חדשים של סוללות.

דברים דומים אפשר לומר גם על שני תחומים נוספים: מכוניות חשמליות ואחסון חשמל ברשת החשמל,  המבוססים כיום על סוללות ליתיום-יון.  מכוניות חשמליות צריכות סוללות בטוחות, עם צפיפות אנרגיה גבוהה, משך חיים ארוך, והטענה מהירה. סוללות ליתיום-יון של ימינו אינן עונות לדרישות אלו, הן מהוות סיכון בטיחותי, כבדות מדי, יקרות מדי, ונדרש זמן רב להטעין אותן.

סוללות ליתיום מצב מוצק 

כדי לענות לדרישות אלו, ולהתגבר על מגבלות סוללות ליתיום-יון המסורתיות, פותח לאחרונה הדור החדש של סוללות. מדובר בסוללות ליתיום מצב מוצק  (או ליתיום-יון מצב מוצק) בהן האלקטרוליט הנוזלי או בצורת ג'ל הוחלף באלקטרוליט מוצק. לסוללות ליתיום מצב מוצק  יש יתרונות רבים. הן בטוחות יותר – אין סיכון לשריפה. הן קלות יותר עם צפיפות אנרגיה ליחידת משקל והספק ספציפי גדול יותר – עד פי 2 – 8 לעומת סוללות ליתיום-יון 'רגילות', ועם זמני טעינה מהירים יותר. 

הסילוק של האלקטרוליטים הנוזליים הנמצאים בסוללות ליתיום-יון 'רגילות' משפר את הבטיחות, ומרחיב את ביצועי הטמפרטורה של סוללות ליתיום מצב מוצק, והכל בעלות נמוכה יותר. גם מארזי הסוללות פשוטים וזולים יותר בשל בטיחות גבוהה יותר, עלות אחריות נמוכה יותר, וגמישות בתכנון הרכב.

בנוסף, סוללות אלו ניתנות למיחזור בתשתית מיחזור הסוללות של ליתיום-יון הישנות. אותן שיטות למיחזור סוללות ליתיום-יון יעבדו גם עבור סוללות מצב מוצק, והמומחים אינם צופים צורך בתהליכים נוספים ובהשקעה הוספת בתשתית המיחזור. לסוללות ליתיום מצב מוצק יכולת להגדיל את הטווח של מכוניות חשמליות בכ-80%. התחזית היא לקיצור ב20 דקות של זמן הטעינה הנדרש למילוי הסוללה.

היצרניות כבר על זה

בלומברג מצפה כי ניתן לייצר תאים אלה במחיר של 40% מעלות סוללות ליתיום-יון הנוכחיות, בייצור בקנה מידה גדול. הפחתות אלו נובעות מחיסכון בחשבון החומרים ובעלות הייצור והציוד,  ואימוץ קתודות חדשות בצפיפות אנרגיה גבוהה. מספר חברות סטארט-אפ ויצרנים קיימים שניסו לפתח סוללות מצב מוצק הודיעו על חידושים שיכולים להאיץ את אימוץ הסוללות ברכב חשמלי ולספק חלופה בטוחה וזולה יותר לסוללות ליתיום-יון רגילות.

חברת קוונטום ספייס פיתחה תא סוללה מצב מוצק שאינו דליק, שיכול להיטען ל -80% מהקיבולת תוך 15 דקות ולשמור על יותר מ -80% מהקיבולת שלו לאחר 800 מחזורי טעינה. תא הסוללה הוא בעל צפיפות אנרגיה נפחית של יותר מ -1,000 וואט-שעה לליטר, כמעט כפול מצפיפות האנרגיה של תאי ליתיום-יון מסחריים.

חברת סוליד-פאוור, פיתחה תא סוללה מצב מוצק מתפקד בו האלקטרוליט הנוזלי הדליק הנמצא בסוללת ליתיום-יון רגילה הוחלף באלקטרוליט מוצק על בסיס גופרית. סוליד פאוור החלה לייצר סוללות ליתיום מצב מוצק, עם קיבולת של 330 וואט-שעה לק"ג, בקו הייצור הרציף שלה במפעל פיילוט בקולורדו. לחברה מפת דרכים ליותר מ- 400 וואט-שעה לק"ג עד שנת 2022. לשם השוואה, לסוללת הליתיום ה'רגילה' המתקדמת ביותר של טסלה מודל 4680, יש קיבולת של כ- 260 וואט-שעה לק"ג.

במחקר שפורסם בג'ורנל נייצ'ר מה- 12 למאי 2021, החוקרים מתארים תכנון סוללת ליתיום מצב מוצק כדי להשיג צפיפות זרם גבוהה במיוחד. מבנה הסוללה אפשר קיבולת אנרגיה גבוהה של  עד 631.1 וואט-שעה לק"ג.

סוליד-פאוור צופה לעבור לקו ייצור של סוללות ב-2021 עם התכונות הבאות:  פעולה ב- 10- מעלות צלזיוס וטעינה מהירה של 50% מקיבולת הסוללה בתוך 15 דקות בטמפרטורת החדר. החברה צופה כניסה לתהליך ההסמכה הרשמי של חברת המכוניות בתחילת 2022 עם תאי סוללה מצב מוצק  בקיבולת גדולה עוד יותר.

טויוטה מפתחת תא מצב מוצק שלדברי גורמים בחברה יוכל לבצע נסיעה של 500 ק"מ בטעינה אחת ולהיטען מאפס לקיבולת מלאה בתוך 10 דקות, ועם סיכוני בטיחות מינימליים. טויוטה אף תכננה לחשוף את סוללת מצב מוצק שלה באולימפיאדת טוקיו השנה, שנדחתה בגלל הקורונה. החברה מתכננת להיות החברה הראשונה שמוכרת רכב חשמלי המצויד בסוללת מצב מוצק בתחילת העשור, וצפויה לחשוף אב טיפוס בשנה הבאה. 

האתגר מאחורי סוללות הליתיום

האתגר הגדול בסוללות ליתיום היה הכימיה שלהן. סוללות ליתיום מעבירות יוני ליתיום מהקתודה  לאנודה דרך אלקטרוליט מוליך. כאשר האנודה עשויה ממתכת ליתיום, נוצרים על פני השטח מבנים דמויי מחט הנקראים דנדריטים. מבנים אלה צומחים כמו שורשים לתוך האלקטרוליט, חודרים את המחסום המפריד בין האנודה לקתודה, וגורמים לקצר בסוללה ואף לכך שתעלה באש.

הטכנולוגיה של סוללות ליתיום מצב מוצק פותחה בשנות התשעים במעבדה הלאומית של אוק רידג' ויצרה סוג חדש של אלקטרוליטים מוצקים.  בסוללות מצב מוצק מסלקים את האלקטרוליט הנוזלי (הדליק) ואת שכבת ההפרדה הפולימרית הנמצאת בסוללת ליתיום-יון ומחליפים אותם באלקטרוליט מוצק. שכבת האלקטרוליט המוצק משמשת גם כמחסום המונע קצר בין האנודה והקתודה, וגם כאלקטרוליט מוליך בדומה לאלקטרוליט הנוזלי הנמצא בתא ליתיום-יון קונבנציונלי.

שין לי, פרופסור חבר למדעי החומרים באוניברסיטת הרווארד וצוותו תכננו סוללת ליתיום מצב מוצק רב-שכבתית עם חומרים שונים בין האנודה לקתודה, המונעת את חדירתם של דנדריטים וקצרים בסוללות.  סוללת הליתיום מצב מוצק שפרופ' לי וצוותו תכננו ושעברה הוכחת התכנות, היא סוללה יציבה שניתן לטעון ולפרוק לפחות ב-10,000 מחזורים. הרבה יותר מחזורים ממה שהוכח בעבר, ובצפיפות זרם גבוהה.

טכנולוגיית סוללות זו עשויה להאריך את משך חיי הרכבים החשמליים ל- 10 עד 15 שנים ללא צורך בהחלפת הסוללה, בדומה למשך החיים של מכוניות עם מנוע בנזין. הסוללה החדשה עם צפיפות הזרם הגבוהה שלה, יכולה לסלול את הדרך לרכבים חשמליים שיכולים להיטען במלואם תוך 10 עד 20 דקות.

הוכחת ההתכנות לתכנון הסוללה הרב-שכבתית מורה כי סוללות ליתיום מצב מוצק יכולות להיות תחרותיות עם סוללות ליתיום-יון מסחריות, והגמישות והרב-תכליתיות של העיצוב הרב-שכבתי הופכות אותן לתואם פוטנציאלי להליכי ייצור המוני בתעשיית הסוללות. המעבר לסוללת ליתיום מצב מוצק מסחרית לא יהיה קל ועדיין ישנם כמה אתגרים מעשיים, אך פרופ' לי וצוותו מאמינים שניתן יהיה להתגבר עליהם.

ב.מ.וו ופורד עשו צעד גדול בקידום המכוניות החשמליות שלהם לפני מספר שבועות, כאשר השקיעו בחברת 'סוליד פאוור. פורד וב.מ.וו אינן יצרניות הרכב היחידות שבודקות את הטכנולוגיה הזו. בשנת 2012 טויוטה החלה לערוך מחקר ליישומי רכב וכעת היא מחזיקה ברוב הפטנטים הקשורים לסוללות מצב מוצק באמצעות השותפות הארוכה שלה עם יצרנית האלקטרוניקה פנסוניק.  חברת דייסון בדקה את הטכנולוגיה אך זנחה את תוכניתה לבנות מכונית חשמלית באמצעותה. גם יצרנית המצתים NGK בודקת את התחום. חברת סוליד פאוור, שהוקמה בשנת 2012 וממוקמת בקולורדו, היא המובילה הנוכחית בתחום סוללות מצב מוצק.

באוקטובר 2020 הודיעה חברת סוליד פאוור על ייצור ומסירה של הדור הראשון של סוללות ליתיום מצב מוצק שלה. הסוללות מיוצרות בטכנולוגיה הקיימת, בשימוש בקווי ייצור קיימים, באמצעות תהליכים סטנדרטיים בתעשיית סוללות ליתיום-יון וציוד אוטומטי, מה שמאפשר לבצע הגדלה מהירה בכושר הייצור בפחות הוצאות. לפי החברה, עלות התהליך שלה קטן בכ- 35% מהעלות במתקן טיפוסי גדול. יתרה מזאת, קו הייצור הנוכחי מאפשר ייצור בעתיד באמצעות חומרים בטוחים יותר ושימוש בגופרית הנמצאת בשפע..  

סוללות ליתיום מצב מוצק משנות את חוקי המשחק במכוניות חשמליות, במערכות אגירת חשמל בבית, וברשת החשמל (בעיקר בתחנות המשנה), בטלפונים סלולריים, ובמיכשור נייד.    בקצב ההתפתחויות המדעיות והטכנולוגיות המהירות של השנים האחרונות, נראה שסוללות אלו יהפכו למוצר מדף מסחרי מוביל בתוך שנים ספורות, לפני 2025.

הפוסט הדור הבא של הסוללות כבר כאן בדרך למהפכה בעולם האלקטרוני הופיע ראשון בהכלכלה האמיתית

מאמרים דומים

Back to top button