שתפו‬        

סוללות העתיד: להשתחרר מהמטענים

מה מתכננים לנו המדענים והחוקרים בתחום פיתוח סוללות חדשות וכיצד זה יקרב את הזינוק הטכנולוגי הגדול הבא? כתבה ראשונה בסדרה
10 במרץ 2015



­

IPHONE-LOW-BATTERYלעתים נדמה שהחיים המודרניים כפי שאנחנו מכירים אותם תלויים במצב ההטענה של סוללות מסוג ליתיום-יון. הייצור המסחרי של סוללות אלו הפך לאפשרי את פריחת ומזעור הטלפונים הסלולריים, המחשבים הניידים, המצלמות הדיגיטליות, המכוניות החשמליות, מכשירי GPS, כלי טייס זעירים ללא טייס, ועוד מכשירים רבים אחרים שמהווים חלק בלתי נפרד מחיי היומיום שלנו. עם זאת, טכנולוגיה זו בקרוב תגיע אל קצה יכולתה. יש לכך שתי סיבות: המגבלה על כמות האנרגיה לכל גרם שסוללת ליתיום-יון יכולה להכיל והמשקל הסוללות שאנו רוצים להעמיס על המכשירים ועל המכוניות שלנו.

לכן, אם אנחנו רוצים להשתחרר מתלות הבלתי-פוסקת בשקעי ההטענה ולהשתמש בטלפון סלולארי במשך שבוע ללא הטענה, למשל, או לנסוע עם רכב חשמלי למרחק של 2,000 קילומטר בין תחנות הטענה ואף לפתח כלי טייס מסחריים חשמליים – יש לנו שתי אפשרויות:

האפשרות הראשונה היא לקדם התייעלות אנרגטית. כלומר, להקטין את צריכת החשמל של המכשירים שלנו (למשל, שימוש במחשבים ניידים שצורכים הרבה פחות חשמל לעומת מחשבים נייחים, או מעבר לשימוש בנורות לד חסכוניות במקום נורות רגילות). האפשרות השנייה היא לפתח טכנולוגיות אגירת אנרגיה חדשות שיכילו יותר אנרגיה חשמלית לכל גרם סוללה, ולהוזיל עלויות יצור על ידי עיצוב חדשני.

בכתבה זו נתמקד בפיתוח טכנולוגיות חדשניות:

סוללות מגנזיום-יון

חוקרים רבים וחברות טכנולוגיה גדולות מתמקדים בתקופה האחרונה בשיפור ביצועי הסוללות הקיימות, זאת בלי להגדיל את נפחן בצורה דרסטית. כיוון מעניין שכזה הוא שימוש בחומרים חדשים ושינוי התכונות האלקטרו-כימיות בסוללה מבלי לשנות את מבנה הסוללה הנוכחי – כמו שבעבר ביצעו במעבר מסוללות עופרת-חומצה או ניקל-קדמיום לסוללות ליתיום-יון. סוללת מגנזיום-יון (magnesium-ion), למשל, תוכל להכיל פי שתיים אנרגיה ליחידת נפח לעומת סוללת הליתיום-יון. עם זאת, מכיוון שמגנזיום כבד יותר מליתיום, סוללות אלו יהיו כבדות יותר מסוללות ליתיום-יון. לכן, הן יתאימו יותר למכשירים שממילא לא צריכים להיות קלים במיוחד, כמו רכבים חשמליים וגנראטורים. בעיה משמעותית של סוללות מגנזיום-יון היא העובדה שבניגוד לליתיום, ליון המגנזיום הגדול יחסית קשה לנוע בנוזל האלקטרוליטי. עובדה זו תגביל את מהירות הפריקה של הסוללה (עוצמת הזרם שהיא יכולה לספק). לכן, החוקרים עובדים על יצירת נוזלים אלקטרוליטיים ידידותיים יותר למגנזיום.

לקריאה נוספת על סוללות מגנזיום-יון

סוללת ליתיום-גופרית

אחד האתגרים של המדענים ושל החוקרים הוא להגיע לאופטימיזציה של מבנה הסוללה כדי שיתאים לצרכים ולדרישות שלנו ממנה. סוללות ליתיום-יון בנויות מאלקטרודות גרפיט (graphite) שטבולות בנוזל האלקטרוליטי. האלקטרודות כמובן חיוניות לתפקוד הסוללה, כדי להעביר את הזרם החשמלי מהסוללה למעגל החשמלי. עם זאת, הן תופסות נפח בסוללה ומהוות חלק ממשקל הסוללה מבלי לתרום לכמות האנרגיה אשר ניתן לאגור בסוללה. חוקרים יצרו סוללת ליתיום-גופרית (Lithium-Sulfur) בה האלקטרודות עשויות ליתיום, אשר נבנה כאשר הסוללה נטענת, ומתפרק כאשר הסוללה בשימוש. כך האלקטרודות גם תורמות למאמץ אגירת האנרגיה בסוללה. בנוסף, הגופרית זולה מאוד לשימוש ויכולה להכיל פי שניים מטען לעומת המקבילה שלה בסוללת ליתיום-יון.

סקירה מעניינת של טכנולוגיית ליתיום-גופרית

סוללת ליתיום-גופרית. צילום: Oak Ridge National Laboratory.flickr
סוללת ליתיום-גופרית. צילום: Oak Ridge National Laboratory.flickr

סוללות מתכת-חמצן

דרך חשיבה זו הובילה גם לפיתוח סוללות רדיקליות עוד יותר: מתכת-חמצן (מתכת-אוויר). בסוללה "רגילה", האלקטרודות טבולות בנוזל אלקטרוליטי שהוא הקתודה. הקתודה מספקת כימיקל (חמצן, למשל) שמגיב למתכת ויוצר את הזרם. משקל הקתודה הוא כ-70 אחוז ממשקל סוללה והמשקל של אותו כימיקל שמגיב הוא כחמישה אחוזים בלבד. כדי להפחית מהמשקל של הסוללה, חוקרים מפתחים סוללות שבהן הקתודה היא בעצם האוויר עצמו. מבנה סוללה זו מאפשר כניסת חמצן בלבד מהאוויר אל תוך הסוללה ואז החמצן מגיב עם הסוללה ליצירת הזרם. חומרים שעליהם עובדים לדוגמה הם סוללות ליתיום-חמצן, ואף נתרן-חמצן. סוללת נתרן-חמצן אמנם מכילה פחות אנרגיה ליחידת משקל לעומת ליתיום-חמצן, אבל נתרן הרבה יותר נפוץ וזול ולכן הופך את הייצור ההמוני שלה לכדאי יותר.

מידע נוסף על סוללות מתכת-חמצן

פיתוח סוללות ליתיום-חמצן במעבדות PNNL. צילום: Pacific Northwest National Laboratory - PNNL.flickr
פיתוח סוללות ליתיום-חמצן במעבדות PNNL. צילום: Pacific Northwest National Laboratory – PNNL.flickr

סוללות אלומיניום ואבץ

יש חברות שמפתחות קונספט דומה, רק עם מתכות אחרות: אלומיניום-חמצן או אבץ-חמצן. החיסרון של סוללות אלו הוא מהירות פריקה איטית יותר, מה שמגביל את הכוח שניתן להפיק מהסוללה בפרק זמן קצר. היתרונות של סוללות אלו הם שמתכות אלו רעילות הרבה פחות, הן נפוצות מאוד, הרבה יותר זולות, ולמרות הפריקה היחסית איטית שלהן לעומת ליתיום-יון, הן יכולות להכיל המון אנרגיה ליחידת משקל. החברה הישראלית Phinergy, למשל, מפתחת סוללות אלומיניום-חמצן ואבץ-חמצן, לטובת שוק המכוניות החשמליות והגנראטורים. רוב הרכבים נוסעים בממוצע 50 קילומטר ביום, ורק פעם בשבוע נוסעים מרחקים של מספר מאות קילומטרים. המודל של החברה הוא להקטין את סוללת הליתיום-יון הנטענת לגודל שיאפשר נסיעה יומיומית של 50 קילומטר, כאשר בנסיעות ארוכות סוללת האלומיניום-חמצן המתכלה מטעינה את סוללת הליתיום-יון ומונעת את ההתרוקנות שלה. בדרך זו, ניתן להחליף סוללת אלומיניום אוויר בממוצע פעם בטיפול שנתי. בנוסף, האלומיניום זול יותר מליתיום, נפוץ יותר, פחות רעיל וניתן למיחזור.

סוללה לכל עת

כפי שראינו, האפשרויות הטכנולוגית להתפתחות הסוללות בעתיד הן רבות ומגוונות, זאת משום שהצרכים של המשתמשים בהן הם רבים ומגוונים. עד היום נעשה שימוש באותו סוג של סוללות (בתחילה עופרת-חומצה, ניקל-קדמיום ועכשיו ליתיום-יון) לכל המכשירים והצרכים. עם זאת, נראה שלשם הגברת היעילות של הסוללות ושמירה על מחירים זולים ככל האפשר שלהן, בעתיד הלא-רחוק יהיה עלינו להתאים את סוג הטכנולוגיה ליישום המדויק המתאים לה. לכן, בכל פעם שניקח לידינו מכשיר כזה או אחר, הסוללה שתספק לו אנרגיה תהיה מבוססת על טכנולוגיה שונה לגמרי.

 




שתפו‬        


הירשמו לניוזלטר שלנו

עקבו אחרי זווית