מחקר גילה דרך להפוך סוללות שאנו משתמשים בהן מדי יום להיות גמישות יותר, חזקות ובטוחות יותר.
The year is 2018 and our everyday livesare now fuelled by different gadgets which either run on חשמל or on batteries. Our reliance on battery-operated gadgets and devices is growing phenomenally. A סוללה is a device that stores chemical energy that gets converted into electricity. Batteries are likemini chemical reactors having reaction producing electronsfull of energy which flow through the external device.Whether its cell phones or laptops or other even electric vehicles, batteries – generally lithium-ion – is the main power source for these technologies. As technology keeps advancing, there is continuous demand for more compact, high capacity, and safe rechargeable batteries.
לסוללות יש היסטוריה ארוכה ומפוארת. המדען האמריקאי בנג'מין פרנקלין השתמש לראשונה במונח "סוללה" בשנת 1749 בעת ביצוע ניסויים בחשמל באמצעות סט של קבלים מקושרים. הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה המציא את הסוללה הראשונה בשנת 1800, כאשר דסקיות של נחושת (Cu) ואבץ (Zn) מופרדות על ידי בד ספוג במים מלוחים. סוללת העופרת-חומצה, אחת הסוללות הנטענות הקיימות והעתיקות ביותר הומצאה בשנת 1859 ועדיין נמצאת בשימוש במכשירים רבים גם היום כולל מנוע בעירה פנימית בכלי רכב.
הסוללות עברו כברת דרך והיום הן מגיעות במגוון גדלים מגדלי מגוואט גדולים, כך שבתיאוריה הן מסוגלות לאגור חשמל מחוות סולאריות ולהאיר ערים מיני או שהן יכולות להיות קטנות כמו אלו המשמשות בשעונים אלקטרוניים , נפלא לא. במה שנקרא סוללה ראשונית, תגובה המייצרת את זרימת האלקטרונים היא בלתי הפיכה ובסופו של דבר כאשר אחד מהמגיבים שלה נצרך הסוללה מתרוקנת או מתה. הסוללה הראשונית הנפוצה ביותר היא סוללת אבץ-פחמן. הסוללות העיקריות הללו היו בעיה גדולה והדרך היחידה להתמודד עם סילוקן של סוללות כאלה הייתה למצוא שיטה שבה ניתן לעשות בהן שימוש חוזר - כלומר על ידי הפיכתן לנטענות. החלפת סוללות בחדשה הייתה ללא ספק לא מעשית ולכן ככל שהסוללות הפכו ליותר חזק ובגדול זה הפך כמעט בלתי אפשרי שלא לומר יקר למדי להחליף אותם ולהיפטר מהם.
Nickel-cadmium battery (NiCd) was the first popular rechargeable batteries which used an alkali as an electrolyte. In 1989 nickel-metal hydrogen batteries (NiMH) were developed having longer life than NiCd batteries. However, they had some drawbacks, mainly that they were very sensitive to overcharging and overheating specially when they were charged say to their maximum rate. Therefore, they had to be charged slowly and carefully to avoid any damage and required longer times to get charged by simpler chargers.
Invented in 1980, Lithium-ion batteries (LIBs) are the most commonly used batteries in consumer אלקטרוני devices today. Lithium is one of the lightest elements and it has one of the largest electrochemical potentials, therefore this combination is ideally suited for making batteries. In LIBs, lithium ions move between different electrodes through an electrolyte which is made of salt and אורגני ממסים (ברוב ה-LIB המסורתיים). תיאורטית, מתכת ליתיום היא המתכת החיובית ביותר מבחינה חשמלית בעלת קיבולת גבוהה מאוד והיא הבחירה הטובה ביותר עבור סוללות. כאשר מכשירי ה-LIB אינם סובלים מטעינה מחדש, יון הליתיום הטעון חיובי הופך למתכת ליתיום. לפיכך, סוללות ה-LIB הן הסוללות הנטענות הפופולריות ביותר לשימוש בכל מיני מכשירים ניידים, בשל אורך החיים הארוך והקיבולת הגבוהה שלהן. עם זאת, בעיה מרכזית אחת היא שהאלקטרוליט יכול להתאדות בקלות, ולגרום לקצר בסוללה וזה יכול להוות סכנת שריפה. בפועל, ה-LIBs הם ממש לא יציבים ולא יעילים שכן עם הזמן נטיות הליתיום הופכות לא אחידות. ל-LIBs יש גם שיעורי טעינה ופריקה נמוכים ודאגות הבטיחות הופכות אותם לבלתי כדאיים עבור מכונות רבות עם הספק גבוה וקיבולת גבוהה, למשל רכבים חשמליים והיברידיים חשמליים. דווח כי LIB מציג יכולת ושיעורי שימור טובים במקרים נדירים מאוד.
לפיכך, לא הכל מושלם בעולם הסוללות שכן בשנים האחרונות הרבה סוללות סומנו כלא בטוחות מכיוון שהן מתלקחות, אינן אמינות ולעיתים לא יעילות. מדענים ברחבי העולם מחפשים לבנות סוללות שיהיו קטנות, נטענות בבטחה, קלות יותר, גמישות יותר ובו בזמן חזקות יותר. לכן, הפוקוס עבר לאלקטרוליטים במצב מוצק כחלופה הפוטנציאלית. שמירה על זה כמטרה אפשרויות רבות נוסו על ידי מדענים, אך יציבות ומדרגיות היו מכשול עבור רוב המחקרים. אלקטרוליטים פולימרים הראו פוטנציאל גדול מכיוון שהם לא רק יציבים אלא גם גמישים וגם לא יקרים. למרבה הצער, הבעיה העיקרית עם אלקטרוליטים פולימריים כאלה היא המוליכות הגרועה והתכונות המכניות שלהם.
במחקר שפורסם לאחרונה ב-ACS מדעי Nano Letters, חוקרים have shown that a battery’s safety and even many other properties can be enhanced by adding nanowires to it, making the battery superior. This team of researchersfrom College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, China have built upon their previous research where they made magnesium borate nanowires which exhibited good mechanical properties and conductivity. In the current study they checked if this would also be true for batteries when such ננו-חוטים מתווספים לאלקטרוליט פולימרי במצב מוצק. אלקטרוליט במצב מוצק היה מעורבב עם 5, 10, 15 ו-20 משקלים של ננו-חוטי מגנזיום בוראט. ניתן היה לראות שהננו-חוטים הגבירו את המוליכות של האלקטרוליט הפולימרי במצב מוצק, מה שהפך את הסוללות ליציבות וגמישות יותר בהשוואה לקודמים ללא ננו-חוטים. עלייה זו במוליכות נבעה מהעלייה במספר היונים העוברים ונעים דרך האלקטרוליט ובקצב מהיר בהרבה. המערך כולו היה כמו סוללה אבל עם ננו-חוטים נוספים. זה הראה קצב ביצועים גבוה יותר ומחזורים מוגברים בהשוואה לסוללות רגילות. כמו כן בוצעה בדיקת דליקות חשובה ונראה שהסוללה לא נשרפה. יש לשדרג את היישומים הניידים הנפוצים כיום כמו טלפונים ניידים ומחשבים ניידים עם אנרגיה מאוחסנת מקסימלית והקומפקטית ביותר. זה כמובן מגביר את הסיכון לפריקה אלימה וזה ניתן לניהול עבור מכשירים כאלה בגלל הפורמט הקטן של הסוללות הדרושים. אבל ככל שיישומים גדולים יותר של סוללות מתוכננים ומנוסים, בטיחות, עמידות וכוח מקבלים חשיבות עליונה.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Sheng O et al. 2018. אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונית גבוהה, מאפיינים מכניים מצוינים וביצועים מעכבי בעירה, המאפשרים Nanowire Mg2B2O5. אותיות ננו. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
