ממחשבים ניידים לסמארטפונים ועד לתעשיית המכוניות החשמליות המתפתחת, העולם שלנו מסתמך יותר ויותר על סוללות נטענות. אך כפי שיודע כל מי שבבעלותו מחשב נייד יותר מכמה שנים, בסופו של דבר סוללות מאבדות את יכולתן להחזיק טעינה מלאה.
מדענים מעולם לא הבינו מדוע זה קורה, מה שהפך את הבעיה לקשה לתקן. אך על פי צמד מחקרים שנערכו לאחרונה על ידי חוקרים ממשרד האנרגיה האמריקני, שפורסמו בכתב העת Nature Communications, אנו עשויים להיות קרובים מתמיד לסוללה שאינה מבזה.
בעבודה ספציפית עם סוללות ליתיום-יון, הנמצאות בשימוש נפוץ במכשירים צרכניים בגלל משקלן הקל והיכולת הגבוהה שלהם, מיפו המדענים את תהליך הטעינה והפריקה למיליארדי המטר כדי להבין טוב יותר כיצד השפלה פועלת. הם גילו שני אשמים בשפלת סוללות. הראשונה: פגיעויות מיקרוסקופיות במבנה חומר הסוללה מכוונות את יוני הליתיום בצורה מפלגתית דרך התא, ושוחקות את הסוללה בדרכים אקראיות לכאורה, כמו חלודה המתפשטת על פגמים בפלדה. במחקר השני, שהתמקד במציאת האיזון הטוב ביותר בין מתח, כושר אחסון ומחזורי טעינה מקסימליים, החוקרים לא רק גילו בעיות דומות בזרימת היונים, אלא גם הצטברות זעירה של גבישים בקנה מידה ננו שהותירו אחריהם תגובות כימיות, הגורמים ל זרימת יונים להיות עוד יותר סדירה אחרי כל טעינה. מפעיל סוללות במתח גבוה יותר הוביל גם לאי-סדרים יותר בנתיב יון, ובכך לסוללה שמתדרדרת במהירות רבה יותר.
תוכן קשור
- מכוניות חשמליות יכולות להפוך את הערים לקרות יותר
נראה כי מדענים היו צריכים להבין היטב את הסוללה - טכנולוגיה שקיימת למעשה מאז 1800 - לפני עשרות שנים. אולם Huolin Xin, מדען חומרים במעבדת ברוקבן ושותף לשני המחקרים, אומר שהשילוב המנצח של טכנולוגיות חדשות התפתח לאחרונה.
"הרבה כלי אפיון חדישים, כמו מיקרוסקופי אלקטרונים מתוקנים סטייה וטכניקות רנטגן סינכרוטרון חדשות, לא היו זמינים לפני עשר שנים", אומר שין. אך כעת, לדבריו, ניתן ליישם אותם על מחקר סוללות ליתיום-יון.
הנתונים החדשים נותנים לחוקרים תמונה ברורה יותר של האופן שבו פועלות הסוללות הללו, מה שעלול להוביל לסוללות ממושכות יותר במוצרי אלקטרוניקה בעתיד הלא רחוק. אבל, זה גם מציג בעיות חדשות. שין אומר שמקסום שטח הפנים חשוב לביצועי הסוללה, אך שטח פנים גדול יותר ככל הנראה מקל על השפלה.
"כדי למנוע [השפלה של פני השטח], אנו יכולים לחפות את הקתודה בשכבת הגנה", אומר שין, "או להסתיר משטחים אלה על ידי יצירת גבולות בתוך האבקות בגודל מיקרון [בתוך התא]."
מציאת הדרכים היעילות והחסכוניות ביותר לעשות זאת תהיה חלק משלב עתידי של המחקר.
אולם דניאל אברהם, מדען שהתמקד במחקר סוללות ליתיום-יון במעבדה הארצית בארגונה מחוץ לשיקגו, ספקן כי המחקרים החדשים מייצגים פריצת דרך אמיתית. לדבריו, עבודות מיפוי עם חומרים דומים נעשו בעבר, כולל על ידי הצוות שלו לפני כ -12 שנים. הוא גם מאמין שיכולה להיות יותר השפלה על הסוללה ממה שהמחקרים החדשים מצאו.
"הם מנסים ליצור קשר בין השפלה של הביצועים לתמונות שהם רואים, וייתכן שאינם נכונים, " אומר אברהם. "זה חלקית הסיפור, אבל אני לא חושב שזה הסיפור כולו."
שין, אופטימי יותר מכך שהעבודה תביא לשיפורי סוללות, לא רק לרכבים חשמליים עתידיים, אלא גם לאלקטרוניקה ניידת.
"קתודה של ליתיום-ניקל-מנגן-קובלט-תחמוצת תויתה לאחרונה כחומר המסחרי היחיד עבור סוללות ליתיום-יון מהדור הבא", אומר שין. "על ידי פיתור בעיית ההשפלה שלה, אנו יכולים להקטין את הסוללות מהדור הבא ולהפוך אותן לטעינה ולפריקה בצורה אמינה יותר."
שני מומחי הסוללות מסכימים עם זאת, כי עבור יישומים חשובים רבים בעתיד, למצוא דרך לייצר סוללות שלא נשחקות באותה מהירות חשוב לא פחות מאשר יצירת סוללות בעלות קיבולת גדולה יותר.
שין מציין כי קונים מכוניות חשמליות דואגים בצדק מכשל בסוללה לאחר תום אחריותם. אברהם מציין כי למרות שסביר להניח שאתה זקוק לביצועים של כמה שנים בלבד מהסוללה של הטלפון החכם או הטאבלט, לרכבים חשמליים, רוב הבעלים מחפשים מצבר שנמשך 10 עד 15 שנים. ולשימוש ברשת החשמלית (לאחסון עודף אנרגיה המופקת בשעות שאינן שיא), הסוללות צריכות להימשך 30 שנה ומעלה.
זה מקל על בניית מצבר טוב יותר למחשב הנייד שלך מאשר לפתור בעיות אריכות ימים באזורים אחרים.
"זה טוב עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, אבל אם אתה מקבל צפיפות אנרגיה גבוהה אך לא אורך חיים, אז הכדאיות המסחרית של הטכנולוגיות הללו באה בסימן שאלה", אומר אברהם. "ואילו אם אתה יכול להראות שיש לך טכנולוגיה חדשה והיא יכולה להימשך בין שנתיים ל -30 שנה, זה הופך להיות מסחרי מיידי באופן מיידי."
בעוד שעבודתם של שין ועמיתיו עשויה לעזור לחוקרים ליצור סוללות שלא מתפרקות במהירות האמורה, ברור שדרוש פריצות דרך נוספות לפני שנראה סוללות נטענות שנמשכות עשור ויותר ללא בלאי רציני.
