אנרגיה בטוחה ויעילה: התגלו חומרי סוללה משנים

מדענים זיהו מוליך ליתיום-יון יציב ומוליך מאוד שיכול לשמש כאלקטרוליטים מוצקים בסוללות ליתיום-יון במצב מוצק.

סוללות ליתיום-יון במצב מוצק, המשתמשות באלקטרוליטים מוצקים, אינן דליקות ומתהדרות בצפיפות אנרגיה ומספרי העברת יונים גבוהים יותר בהשוואה למקבילותיהן באלקטרוליטים נוזליים. תכונות אלו מציבות אותן כתחליפים פוטנציאליים בשווקים הנשלטים על ידי סוללות אלקטרוליטים נוזליים מסורתיים, לרבות רכבים חשמליים. למרות יתרונות אלו, אלקטרוליטים מוצקים מציגים חסרונות כגון מוליכות ליתיום-יון נמוכה יותר וקשיים בשמירה על מגע מספק בין האלקטרודות לאלקטרוליט המוצק.

בעוד שאלקטרוליטים מוצקים מבוססי סולפיד הם מוליכים, הם מגיבים עם לחות ויוצרים מימן די-סולפיד רעיל. לכן, יש צורך באלקטרוליטים מוצקים שאינם גופרתיים שהם גם מוליכים וגם יציבים באוויר כדי ליצור סוללות Li-ion בטוחות, בעלות ביצועים גבוהים וטעינה מהירה.

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת כימיה של חומריםצוות מחקר בראשות פרופסור קנג'ירו פוג'ימוטו, פרופסור אקיהיסה איימי מאוניברסיטת טוקיו למדע וד"ר שוהיי יושידה מ-DENSO CORPORATION, גילו מוליך ליתיום יציב ומוליך גבוה בצורה של אוקסיפלואוריד מסוג פירוכלור.

לדברי פרופ' פוג'ימוטו, "הכנת סוללות ליתיום-יון משניות בעלות מצב מוצק היה חלום ארוך שנים של חוקרי סוללות רבים. גילינו אלקטרוליט מוצק תחמוצת המהווה מרכיב מפתח בסוללות ליתיום-יון במצב מוצק, שיש להן גם צפיפות אנרגיה גבוהה וגם בטיחות. בנוסף להיותו יציב באוויר, החומר מפגין מוליכות יונית גבוהה יותר מאשר אלקטרוליטים מוצקים תחמוצתיים שדווחו בעבר."

ניתוח וביצועים מפורטים

ניתן לציין את האוקסיפלואוריד מסוג פירוכלור שנחקר בעבודה זו בשם Li_2-איקסלָה_{(1+איקס)/3}M₂O₆F (M = Nb, Ta). הוא עבר ניתוח מבני וקומפוזיציוני באמצעות טכניקות שונות, כולל עקיפה של קרני רנטגן, ניתוח Rietveld, בשילוב אינדוקטיבי פְּלַסמָה ספקטרומטריית פליטה אופטית, ודיפרקציית אלקטרונים בשטח נבחר. ספציפית, לי_1.25לָה_0.58נ.ב₂O₆F פותחה, והדגימה מוליכות יונית בתפזורת של 7.0 mS cm⁻¹ ומוליכות יונית כוללת של 3.9 mS cm⁻¹ בטמפרטורת החדר. נמצא שהוא גבוה ממוליכות הליתיום-יון של אלקטרוליטים מוצקים של תחמוצת ידועים. אנרגיית ההפעלה של הולכה יונית של חומר זה נמוכה ביותר, והמוליכות היונית של חומר זה בטמפרטורות נמוכות היא מהגבוהות מבין האלקטרוליטים המוצקים הידועים, לרבות חומרים מבוססי סולפיד.

בדיוק, אפילו ב-10 מעלות צלזיוס, לחומר החדש יש את אותה מוליכות כמו אלקטרוליטים מוצקים קונבנציונליים מבוססי תחמוצת בטמפרטורת החדר. יתר על כן, מכיוון שגם מוליכות מעל 100 מעלות צלזיוס אומתה, טווח הפעולה של אלקטרוליט מוצק זה הוא -10 מעלות צלזיוס עד 100 מעלות צלזיוס. לא ניתן להשתמש בסוללות ליתיום-יון קונבנציונליות בטמפרטורות מתחת לאפס. לכן, תנאי ההפעלה של סוללות ליתיום-יון עבור טלפונים ניידים נפוצים הם 0°C עד 45°C.

מנגנון ההולכה של Li-ion בחומר זה נחקר. נתיב ההולכה של מבנה מסוג פירוכלור מכסה את יוני F הממוקמים במנהרות שנוצרו על ידי MO₆ אוקטהדרה. מנגנון ההולכה הוא תנועה רציפה של יוני ליתיום תוך שינוי קשרים עם יוני F. יוני Li נעים למיקום Li הקרוב ביותר ועוברים תמיד דרך עמדות מט-יציבות. Immobile La³⁺ מחובר ליון F מעכב את הולכת ה-Li-ion על ידי חסימת נתיב ההולכה והעלמת המצבים המט-יציבים שמסביב.

בניגוד לסוללות ליתיום-יון משניות קיימות, לכל סוללות המצב המוצק המבוססות על תחמוצת אין סיכון לדליפת אלקטרוליטים עקב נזק ואין סיכון לייצור גזים רעילים כמו בסוללות על בסיס גופרתי. לכן, חידוש חדש זה צפוי להוביל מחקר עתידי. "החומר החדש שהתגלה הוא בטוח ומציג מוליכות יונית גבוהה יותר מאשר אלקטרוליטים מוצקים מבוססי תחמוצת שדווחו בעבר. היישום של חומר זה מבטיח לפיתוח סוללות מהפכניות שיכולות לפעול בטווח רחב של טמפרטורות, מנמוכות לגבוהות", צופה פרופ' פוג'ימוטו. "אנו מאמינים שהביצועים הנדרשים ליישום אלקטרוליטים מוצקים עבור כלי רכב חשמליים מרוצים."

יש לציין שהחומר החדש יציב מאוד ולא יתלקח אם ייפגע. זה מתאים למטוסים ולמקומות אחרים שבהם הבטיחות היא קריטית. הוא מתאים גם ליישומים בעלי קיבולת גבוהה, כגון רכבים חשמליים, מכיוון שניתן להשתמש בו תחת טמפרטורות גבוהות ותומך בטעינה מהירה. יתר על כן, זהו גם חומר מבטיח למזעור סוללות, מכשירי חשמל ביתיים ומכשור רפואי.

לסיכום, חוקרים לא רק גילו מוליך Li-ion בעל מוליכות גבוהה ויציבות אוויר, אלא גם הציגו סוג חדש של מוליך עליון עם אוקסיפלואוריד מסוג פירוכלור. חקר המבנה המקומי סביב ליתיום, השינויים הדינמיים שלהם במהלך ההולכה והפוטנציאל שלהם כאלקטרוליטים מוצקים עבור סוללות במצב מוצק הם תחומים חשובים למחקר עתידי!