במובן מסוים, סגנון החיים שלנו מתאפשר בזכות סוללת הליתיום-יון. גם אם נחשוב רק על הטלפונים הניידים שלנו, אין זה נדיר שביום אחד נסדר באפליקציה את המשימות שלנו להמשך השבוע, נבדוק בגוגל מפות כיצד להגיע למעוז חפצנו, נתכתב עם חברים, נרשום לעצמנו תזכורות, נראה לאנשים שאיתנו סרטון מעניין ביוטיוב, נטעין את הרב-קו באפליקציה, נתעדכן בפייסבוק ובטוויטר, נשתף באינסטגרם תמונות שצילמנו – וכשנגיע הביתה, עדיין תישאר לנו די סוללה כדי לבדוק ביומן מה מתוכנן לנו למחר.
עם זאת, הפקת הליתיום שדרוש לסוללות הליתיום-יון טומנת בחובה קשיים מעשיים וסביבתיים משמעותיים, ולכן נעשים כיום ניסיונות למצוא לסוללה זו תחליף ראוי. אחת האלטרנטיבות הבולטות בתחום היא סוללת הנתרן-יון (Sodium-ion), שמבוססת על היסוד הנפוץ שמוכר לנו בין השאר ממלח בישול. לאחרונה, חברת CATL הסינית – יצרנית סוללות הליתיום-יון הגדולה בעולם – הציגה סוללת נתרן-יון מסוג חדש, שעשויה לאפשר שימוש נרחב בטכנולוגיה.
סוללות ליתיום-יון עברו עשורים של פיתוח ושיפור מאז שנכנסו לשימוש לראשונה, וכיום הן משולבות במגוון מכשירים שאנחנו עושים בהם שימוש בחיי היום-יום – שהבולטים שבהם הם טלפונים סלולריים ורכבים חשמליים. עם זאת, הפקת הליתיום היא מורכבת. "הליתיום לא מפוזר באופן אחיד בקליפת כדור הארץ, ולכן הוא קל וזול יחסית להפקה אך ורק באתרים ספציפיים", מסביר ד"ר דניאל מדר, חוקר ויועץ מדעי וממייסדי חברת SP Interface. "כמו כן, 7-4 שנים חולפות מרגע גילוי אתר מתאים להפקה מסחרית של ליתיום עד לתחילת ההפקה בפועל, ועלייה תלולה בביקוש לליתיום בשנים האחרונות בשל הגידול המעריכי בייצור רכבים חשמליים ומתקני אגירת אנרגיה מבוססי סוללות, אל מול שבירת שרשראות האספקה עקב משבר הקורונה, גרמו למחסור בליתיום בשוק. לכן, כיום היצע הליתיום לא עומד בביקוש, ונוצר צוואר בקבוק באספקתו".
מעבר לכך, תהליך הפקת הליתיום גורם לפגיעה סביבתית ניכרת, בין השאר כי תהליכי כריית ועיבוד הליתיום מהאדמה או המים והמרתו למצב שבו הוא יוכל לשמש בסוללות דורשים אנרגיה רבה.
להפיק סוללות מפסולת
אחד המועמדים המובילים להחלפת הליתיום הוא גם אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע – הנתרן, שמוכר לנו היטב מהמלח שמתבל את האוכל שלנו, ושמצוי במי הימים ברחבי הפלנטה. בניגוד לליתיום, את הנתרן אפשר למצוא בריכוז גבוה כמעט בכל מקום בעולם, וקיימות שיטות פשוטות וזולות להפיקו. "אפשר להפיק נתרן בכל חוף ים, מה שיימנע כל מגבלה על שרשראות האספקה", אומר מדר. "בישראל, למשל, מתקני התפלת מי ים מייצרים מי תמלחת – פסולת של מים עם ריכוז מלחים גבוה מאוד. במקום להזרים את הפסולת לים, כפי שקורה כיום, אפשר יהיה להשתמש בה כמקור למלח".
חברת CATL הסינית, שסוללותיה משמשות בין השאר את חברת טסלה, השקיעה בשנים האחרונות משאבים בחקר הנושא. הסוללה החדשה של CATL, שהחברה הגישה לאחרונה הצעה לרישומה כפטנט, ושתשמש בדור הבא של סוללות הנתרן-יון שהיא תייצר, כוללת חומר פחמני קשיח עם מבנה נקבובי ייחודי.
הפיתוח החדש נועד להגדיל את צפיפות האנרגיה של הסוללה: כמות האנרגיה ליחידת נפח או משקל – או במילים פשוטות, כמה חשמל תייצר הסוללה עד שהיא תתרוקן ויהיה צורך להטעין אותה שוב. לדברי פרופ' דורון אורבך, ראש הקבוצה לאלקטרוכימיה באוניברסיטת בר אילן, ראש המרכז לאנרגיה וקיימות באוניברסיטת בר אילן וראש מרכז המחקר הלאומי להנעה חשמלית, לסוללות נתרן-יון יש כיום צפיפות אנרגיה נמוכה יחסית לסוללות ליתיום-יון נטענות. עם זאת, הסוללה החדשה היא ללא אנודה (Anode-free). "הכוונה בסוללות ללא אנודה היא שבמקום חומר פחמני כמו גרפיט (בסוללת ליתיום-יון) או פחם קשה (בסוללת נתרן-יון), שבו נאגרים יוני הליתיום או הנתרן בתהליך הטעינה, בטעינת הסוללות החדשות האלה ישוקעו רדידי ליתיום או נתרן דקים על רדידי נחושת או אלומיניום דקים", אומר אורבך. "כך נחסוך את הנפח והמשקל שתופס הפחמן כאנודה – הקוטב השלילי של הסוללה – ונרוויח קיבול (אגירת מטען חשמלי, נ"ס), מה שיאפשר צפיפות אנרגיה גבוהה יותר".
על פי CATL, צפיפות האנרגיה של הסוללה החדשה תעמוד על כ-200 וואט-שעה לקילוגרם – צפיפות דומה לזו של סוללות ליתיום-יון. מדובר בשדרוג מסוללת הנתרן-יון הראשונה שפיתחה החברה, ביולי 2021, שצפיפות האנרגיה שלה עומדת על 160 וואט-שעה לקילוגרם. החברה תתחיל בייצור מסחרי של סוללות הנתרן-יון כבר ב-2022.
מעבר לכך, CATL לא לבד: גם חברת Natron Energy האמריקאית וחברת Altis AB השבדית הודיעו (בנפרד) על השקת קווי ייצור של סוללות נתרן-יון ב-2023.
יש צורך בהתאמות
"סוללות נתרן-יון זולות יאפשרו מעבר מהיר של רשת החשמל מהסתמכות על דלקי מאובנים להסתמכות על אנרגיות מתחדשות ואגירת אנרגיה בהיקפים גדולים", מסביר מדר. "גם רכבים חשמליים יהפכו לזולים יותר, ויאפשרו נטישה מהירה יותר של בנזין ודיזל לטובת חשמל. העובדה שמדובר בפיתוח של סוללה בהיקף נרחב על ידי חברת הסוללות הגדולה בעולם, ולא בפיתוח ראשוני במעבדה, מבטיחה שהסוללות הללו יתחילו להגיע לשוק כבר בזמן הקרוב".
יש לציין שעקב השוני בתכונותיהם הכימיות של הליתיום והנתרן, השימוש בנתרן בסוללות דורש התאמות. "לטכנולוגיות ליתיום-יון יש יתרון ענק: בתהליך הייצור עובדים רק עם חומרים ניטרליים, לא מסוכנים, ובתהליך הטעינה הראשוני מחדירים את יוני הליתיום שבחומרים אלה לתוך אנודת גרפיט – כלומר, בסוללה עצמה אין ליתיום פעיל אלא רק תנועה של יונים, מה שיוצר סוללה בטוחה ויציבה מאוד", אומר אורבך. "נתרן לא יעבוד עם גרפיט באותו האופן. עם זאת, אפשר להחליף את הגרפיט בחומר פחמני אחר, וכך לפתח טכנולוגיה דומה גם עבור סוללות נתרן-יון". מלבד הגרפיט, יהיה צורך להחליף גם חומרים נוספים בסוללה – את תערובות הקובלט, למשל, שמשמשות בסוללות ליתיום-יון ושלא תוכלנה לפעול באותו האופן במערכות נתרן, אפשר יהיה להחליף בחומרים אחרים – ובפיתוח החדש ייעשה שימוש בתערובות ברזל-מנגן-ניקל במקומן.
הטכנולוגיה הולכת ומשתפרת
אורבך מבהיר שהפיתוח החדש של CATL הוא לא הפעם הראשונה שבה נעשה ניסיון לפתח סוללה ללא אנודה. "באופן תאורטי, אפשרי לפתח סוללה כזו, אבל עקב אי-היציבות של מערכות מסוג זה, מספר מחזורי הטעינה – כלומר, מספר הפעמים שאפשר להטעין את הסוללה עד שהיא תצא משימוש – עלול לרדת מתחת לערך כדאי". מספר המחזורים חשוב מאוד כשמדובר בסוללות עבור שדות סולאריים, שכן בהתקנה של מערכת כה גדולה ומורכבת, נרצה שהיא תפעל לאורך עשור ואף יותר מכך.
לדברי CATL, סוללת הנתרן-יון שלהם מסוגלת לבצע 6,000-3,000 מחזורי טעינה (כלומר, 15-10 שנה של טעינה ופריקה כל יום). מדובר עדיין במספר מחזורים נמוך יותר מזה של סוללות ליתיום-יון טובות, שמגיעות ל-8,000 מחזורי טעינה, אבל ההערכה היא שבתוך כמה שנים המספר יגדל לרמה זו. בנוסף, לטענת Natron Energy, הסוללה שהם מייצרים מחזיקה 50 אלף מחזורים – פי 25-5 מסוללת ליתיום-יון.
כך או כך, אורבך מדגיש שתחום הסוללות הולך ומתפתח כל הזמן. "סוללות ליתיום-יון הן אחת ההצלחות הגדולות של האלקטרוכימיה ומדע החומרים בימינו, ומדענים בכל העולם, שמאוגדים במאות של קבוצות מחקר, עושים עבודה שיטתית, צעד אחד צעד, ומשפרים את הטכנולוגיה הזו בצורה באמינות רבה", הוא אומר. "אפשר באופן דומה להצליח עם סוללות נתרן נטענות, ולהרוויח מערכות אגירת אנרגיה בלתי מוגבלות מבחינת מצאי היסודות שמרכיבים אותן".
