העולם ממתין לפריצת דרך סוללה. כמעט כל מגזר בתעשיית האלקטרוניקה, כל מה שפועל על סוללה, מוגבל על ידי תפוקת הכוח וחיי האנרגיה של המצברים שמפעילים אותה.
תוכן קשור
- מדוע מלח הוא הנכס המוערך ביותר של תחנת הכוח הזו
- לעולם לא תצטרך לחבר טלפון סלולרי זה ללא סוללות
"ההתקדמות או התקדמות הסוללות הן הרבה יותר איטיות מאשר בתחומים אחרים, וזו מגבלה מהותית של מצברים", אומר סטפנו פאסריני, העורך הראשי של כתב העת מקורות כוח . "אינך יכול לצפות לסוללה שתספק אנרגיה לטלפון הסלולרי למשך שבוע או חודש. בסוף, כמות האנרגיה המרבית שתוכל לאחסן בסוללה נקבעת על ידי האלמנטים הזמינים. "
אבל יש התקדמות. החוקרים עובדים על שיפור צפיפות האנרגיה (מיץ למשקל ונפח), המחיר, הבטיחות, ההשפעה הסביבתית ואפילו חיי החיים של הסוללות הפופולריות ביותר, סוללות ליתיום-יון, וכן על תכנון סוגים חדשים לגמרי.
ניתן למצוא את רוב הסוללות בשלוש תעשיות עיקריות: מוצרי אלקטרוניקה צרכנית, רכב ואחסון רשת.
"הייתי קורא להם שלושת הדליים הגדולים שבהם אנשים מצטלבים עם סוללות", אומר Venkat Srinivasan, סגן מנהל מחקר ופיתוח במרכז המחלקה לאנרגיה למחקר אחסון אנרגיה במחלקה. לכל דלי דרישות שונות, וכך הסוללות בהן משתמשים יכולות (לפעמים) להיות שונות מאוד זו מזו. הטלפון ההוא בכיס שלך זקוק לסוללה שהיא קומפקטית ובטוחה, אך המשקל והעלות פחות חשובים. דרג את גודל הסוללות לרכב, ועם כל כך הרבה סוללות, העלות והמשקל הופכים חשובים, כמו גם חיי מחזור (היית מאוד משוגע אם הטסלה החדשה הזו תדרוש סוללות חדשות כל כמה שנים). הגדלים עוד יותר, והסוללות שמתחילות לשמש לאחסון חשמל לבתים ולרשת דורשות מעט מאוד משקל או גודל.
במשך עשרות שנים, מוצרי אלקטרוניקה צרכניים - הטלפון, המחשב, המצלמה, הטאבלט, המל"טים, ואפילו השעון שלך - פועלים על סוללות ליתיום-יון, הודות לטעינה הפשוטה שלהן וצפיפות האנרגיה הגבוהה. בסוללות אלה נוצר האנודה סריג של גרפיט, ממולא ביוני ליתיום. תחמוצת יוצרת את הקתודה, המחוברת למסוף הנגדי, והשניים מופרדים באמצעות אלקטרוליט נוזלי המאפשר ליונים לעבור דרכו. כאשר המסופים החיצוניים מחוברים, הליתיום מתחמצן והיונים זורמים לקתודה. טעינה היא בדיוק ההפך. ככל שיותר יוני ליתיום ניתנים להעברה בדרך זו, כך הסוללה יכולה להחזיק יותר כוח. הכרנו את הגודל הקומפקטי וקלות השימוש, אם לא את חיי הסוללה והבטיחות. אבל יתכן שלא יהיה הרבה מקום לשיפור נוסף, אומר פאסרניני.
"עכשיו סוללות ליתיום-יון הן די קרוב לגבול", הוא אומר. "למרות שכבר אמרנו זאת לפני כעשר שנים, והשיפורים בעשר השנים האחרונות היו די מהותיים."
במקרה של מכוניות, הסוללות אחראיות בסופו של דבר לכל החיים של המכונית ולחרדת הטווח האיומה כשמדובר במכוניות חשמליות. כדי להתמודד עם בעיה זו, מהנדסים ומדענים מנסים לדחוס יותר קיבולת מתח לסוללות. אך לרוב זה קשור לתגובות כימיות לקויות, אשר מצמצמות את הקיבולת לאורך זמן. מחקר רב מוקדש למציאת חומרים וכימיקלים חדשים המסייעים או מחליפים את סריג הליתיום-יון, או חלקים אחרים של הסוללה.
Srinivasan מציין כמה חידושים פוטנציאליים, ואלו נועדו לא רק למכוניות: ניתן להחליף את סריג האנודה הגרפיט המסורתי בסיליקון, המחזיק פי פי יוני יוני ליתיום. אך הסיליקון נוטה להתרחב כאשר הוא סופג ליתיום, כך שהסוללות יצטרכו לתת עליו דין וחשבון. או: במקום הסריג, מתכת ליתיום יכולה לשמש כאנודה - בתנאי שנוכל להבין כיצד למנוע ממנה להיפטר בצורה קטסטרופלית כאשר היא נטענת. זה נושא שיצרני הסוללות מנסים לפתור מאז שהומצאה סוללת הליתיום-יון לפני עשרות שנים. "קיבלנו תקווה רבה שאנחנו נמצאים בתקופה שבה ניתן לטפל שוב בבעיה זו בת 30", אומר סריניווסן.
אולי ניתן להחליף ליתיום כולו. החוקרים בוחנים במקום זאת דרכים להשתמש בנתרן או מגנזיום, והמרכז המשותף לחקר אחסון אנרגיה משתמש במודלים ממוחשבים כדי לחקור חומרים מבוססי אוקסיד בהתאמה אישית שיכולים לעבוד כקתודה לאנודה של מגנזיום. המגנזיום מושך במיוחד מכיוון שהמבנה שלו מאפשר לו לקבל שני אלקטרונים לאטום, מה שמכפיל את המטען שהוא יכול להחזיק.
פראשנט ג'יין ומשתפי הפעולה שלו באוניברסיטת אילינוי עובדים על פן אחר של סוללות ליתיום: האלקטרוליט. האלקטרוליט הוא הנוזל הממלא את החלל שבין הקטיון (יון טעון חיובי) לבין אניון (יון טעון שלילי), ומאפשר לחלקיקים טעונים לזרום דרכו. זה כבר זמן רב ידוע שחומרים מוצקים מסוימים, כמו סלניום נחושת, יאפשרו גם לזרום של יונים, אך לא מספיק מהר כדי להפעיל מכשירים בעלי עוצמה גבוהה. ג'יין, עוזר פרופסור לכימיה, ותלמידיו, פיתחו מוצק superionic, עשוי מחלקיקים של נחושת סלניד, שיש לו תכונות שונות. זה מאפשר לחלקיקים טעונים לזרום בקצב הדומה לאלקטרוליט נוזלי.
היתרונות הפוטנציאליים של טכנולוגיה זו הם כפולים: בטיחות ומחזור חיים. אם סוללת ליתיום-יון הנוכחית נפגעת, הסוללה מכנסת ומתחממת. הנוזל מתאדה, ושום דבר אינו יכול למנוע פריקה מהירה של אנרגיה - בום. מוצק ימנע את הקצר הזה ויאפשר אנודה מתכת מלאה, שמציעה יכולת אנרגיה גדולה יותר. בנוסף, במהלך מחזורים חוזרים ונשנים אלקטרוליטים נוזליים מתחילים להמיס את הקתודה והאנודה וזו סיבה ראשונה לכך שהסוללות בסופו של דבר לא מצליחות לטעון.
"היו כל השיפורים המצטברים האלה שבאמת התקדמו. אבל מעולם לא הייתה פריצת דרך דרמטית גדולה, טכנולוגיה משבשת בה ניתן לומר כעת, האלקטרוליט המוצק באמת תואם את הפוטנציאל מבחינת הובלת יונים שנוזל אלקטרוליטים [יכולים], "אומר ג'יין. "כעת, כשבעיות הבטיחות עולות לידי ביטוי, עם אלקטרוליטים נוזלים, החוקרים היו כמו, אולי עלינו לחשוב על משהו דרמטי עם אלקטרוליטים מוצקים, ופעם אחת ולתמיד, ליצור אחד שיכול להחליף אלקטרוליט נוזלי."
ג'ון גודנו, ממציא משותף של סוללת הליתיום-יון, מפתח סוללה עם אלקטרוליט על בסיס זכוכית. (בית הספר להנדסה לקוקרל, אוניברסיטת טקסס באוסטין) אחד הממציאים המשותפים של סוללת הליתיום-יון המקורית בעצמו נוקט בצעידה נוספת לעבר אלקטרוליטים במצב מוצק: ג'ון גודנוף, פרופסור להנדסת אמריטוס באוניברסיטת טקסס, פרסם והגיש בקשת פטנט לסוללה עם כוס מבוסס אלקטרוליט. על ידי הספגה של הזכוכית בליתיום או נתרן, גודנאו הצליחה לאפשר לזרם לזרום עוד יותר מהר תוך מניעת מכנסיים קצרים והגדלת יכולת האנרגיה בעזרת אנודה מוצקה.
כל המחקר הזה הולך להיות בעל השפעה על הסוללות בכיסים ובמכוניות שלנו. אבל יש קטגוריה שלישית, שבה ההשפעות הן גלובליות.
מלאני סנפורד משתמשת בכלי דוגמנות על סוג אחר של סוללה - סוללות זרימה אדומות של Redox אשר יאחסנו חשמל מתחנות כוח מתחדשות וישחררו אותה כאשר הרוח והשמש אינם זמינים. עריכת הפסגות והעמקים של ייצור האנרגיה והצריכה של האנרגיה יעזרו בהיקף מתחדשים לספק יותר מסתם כוח משלים.
אדיסון בדרום קליפורניה כבר מתנסה בבנקים של סוללות, משתמש בסוללות רכב טסלה, אך מכיוון שהסוללות מבוססות ליתיום-יון מסורתיות, הן יקרות מכדי להשתמש בהן בקנה מידה שיאפשר כוח מתחדש עולמי. חוץ מזה, האילוצים לסוללת רשת שונים בהרבה ממכונית. משקל וגודל אינם סוגיה, אך המחיר ומשך החיים הם.
בסוללת זרימת redox, אחסון אנרגיה מוחזק בצורה נוזלית במכלים גדולים, ואז נשאב לתא קטן יותר שם הוא מגיב באמצעות מכשיר דומה בעל המטען ההפוך. דוגמנות המחשבים אפשרו למעבדה של סנפורד לתכנן מולקולות אורגניות בהתאמה אישית, מה שמוביל לגידול פי אלף, מפחות מיום לחודשים, בפרק הזמן שמולקולות אלה נשארות יציבות.
"עבור המקור בקנה מידה רשת, סוג הדברים שאתה צריך זה חומרים שהם סופר זולים, מכיוון שאנחנו מדברים על סוללות ענק", אומר סנפורד. "אנחנו מדברים על חוות רוח ואז אזור דומה של מחסנים שמחזיקים את המצברים האלה."
לדברי סנפורד, החידושים יגיעו הן ממדע החומרים - פיתוח חומרים חדשים להכנת הסוללות שלנו - והן מהנדסים שיהפכו את המערכות הבנויות סביב אותם חומרים ליעילות יותר. שניהם יהיו נחוצים, אך הצינור ממחקר לייצור יהיה בהכרח צוואר בקבוק נוסף.
"כולם צריכים להיות מודעים לכך שאין סוללה אחת שיכולה להתאים לכל היישומים, " אומר פאסריני. "ברור שאפילו להרוויח קצת - 10 אחוז, 20 אחוז ביצועים - זה נושא גדול. אנחנו צריכים לעשות מחקר בתחום. יש לתמוך במדענים. "
