מחקר גילה דרך להפוך סוללות שאנו משתמשים בהן מדי יום להיות גמישות יותר, חזקות ובטוחות יותר.
השנה היא 2018 וחיי היומיום שלנו מתודלקים כעת על ידי גאדג'טים שונים שפועלים על חשמל או על סוללות. ההסתמכות שלנו על גאדג'טים ומכשירים המופעלים על ידי סוללות הולכת וגוברת בצורה פנומנלית. א סוללה הוא מכשיר המאחסן אנרגיה כימית שהופכת לחשמל. סוללות הן כמו כורים כימיים קטנים בעלי תגובה המייצרת אלקטרונים מלאי אנרגיה אשר זורמים דרך המכשיר החיצוני. בין אם טלפונים סלולריים או מחשבים ניידים או כלי רכב אחרים אפילו חשמליים, סוללות - בדרך כלל ליתיום-יון - הן מקור הכוח העיקרי לטכנולוגיות אלו. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתקדם, יש דרישה מתמשכת לסוללות נטענות קומפקטיות יותר, קיבולת גבוהה ובטוחה.
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.
סוללת ניקל-קדמיום (NiCd) הייתה הסוללות הנטענות הפופולריות הראשונות שהשתמשו באלקלי כאלקטרוליט. בשנת 1989 פותחו סוללות ניקל-מתכת מימן (NiMH) בעלות אורך חיים ארוך יותר מאשר סוללות NiCd. עם זאת, היו להם כמה חסרונות, בעיקר שהם היו רגישים מאוד לטעינת יתר והתחממות יתר במיוחד כשהם טעונים, נניח לשיעור המקסימלי שלהם. לכן, היה צורך לטעון אותם באיטיות ובזהירות כדי למנוע כל נזק ונדרש זמן ארוך יותר כדי להיטען על ידי מטענים פשוטים יותר.
הומצאו בשנת 1980, סוללות ליתיום-יון (LIBs) הן הסוללות הנפוצות ביותר בצרכנים אלקטרוני מכשירים היום. ליתיום הוא אחד היסודות הקלים ביותר ויש לו את אחד הפוטנציאלים האלקטרוכימיים הגדולים ביותר, לכן שילוב זה מתאים באופן אידיאלי לייצור סוללות. ב-LIBs, יוני ליתיום נעים בין אלקטרודות שונות דרך אלקטרוליט שעשוי ממלח ו 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 הראו שניתן לשפר את בטיחות הסוללה ואפילו מאפיינים רבים אחרים על ידי הוספת ננו-חוטים לה, מה שהופך את הסוללה לעדיפה. צוות חוקרים זה מהמכללה למדע והנדסה של חומרים, אוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג לטכנולוגיה, סין, התבסס על מחקרים קודמים שבהם הם יצרו ננו-חוטי מגנזיום בוראט שהציגו תכונות מכניות טובות ומוליכות. במחקר הנוכחי בדקו אם זה יהיה נכון גם לגבי סוללות כאשר כאלה 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
