כוח הברזל: מהפכה בסוללות עם המתכת הנפוצה ביותר בכדור הארץ

מחקר חדש מציג קתודה מבוססת ברזל לסוללות ליתיום-יון, המציעה עלויות נמוכות יותר ובטיחות גבוהה יותר בהשוואה לחומרים מסורתיים.

יוזמה שיתופית בראשות חוקר הכימיה של אוניברסיטת אורגון, Xiulei "David" Ji, מציגה ברזל כחומר קתודי בר-קיימא עבור סוללות ליתיום-יון, שעלול להחליף חומרים יקרים כמו קובלט וניקל. חדשנות זו מבטיחה צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, עלויות נמוכות משמעותית ובטיחות משופרת. השפע של ברזל מבטיח אספקה ​​קבועה, מה שהופך את הפיתוח הזה לצעד מכריע לקראת טכנולוגיית סוללה בת קיימא יותר.

המחקר, מפורט בפרסום לאחרונה ב התקדמות המדע, הוא משמעותי מכמה סיבות. ג'י מסביר, "הפכנו את התגובתיות של מתכת ברזל, מצרך המתכת הזול ביותר. האלקטרודה שלנו יכולה להציע צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מחומרי הקתודה החדישים ביותר בכלי רכב חשמליים. ומכיוון שאנו משתמשים בברזל, שעלותו יכולה להיות פחות מדולר לקילוגרם – חלק קטן של ניקל וקובלט, שהם הכרחיים בסוללות ליתיום-יון עתירות אנרגיה כיום – עלות הסוללות שלנו נמוכה בהרבה".

יתרונות כלכליים וסביבתיים של קתודות על בסיס ברזל

נכון לעכשיו, הקתודה אחראית למחצית מהעלות של ייצור תא סוללת ליתיום-יון. קתודות מבוססות ברזל יכולות לא רק להפחית עלויות אלא גם לשפר את הבטיחות והקיימות של הסוללה. עם הביקוש הגובר לסוללות ליתיום-יון להנעת כלי רכב חשמליים, ההיצע העולמי של ניקל וקובלט הולך ונמתח, כאשר מחסור צפוי מאיים על הייצור העתידי.

בנוסף, צפיפות האנרגיה של אותם אלמנטים כבר מורחבת עד לרמת התקרה שלו. אם דוחפים אותו עוד יותר, חמצן המשתחרר במהלך הטעינה עלול לגרום להתלקחות הסוללות. בנוסף, קובלט הוא רעיל, כלומר הוא יכול לזהם מערכות אקולוגיות ומקורות מים אם הוא נשלף ממזבלות.

חבר את הכל ביחד, אמר ג'י, וקל להבין את החיפוש הגלובלי אחר כימיקלים חדשים וברי קיימא של סוללות.

הבנת רכיבי ותפקוד הסוללה

סוללה אוגרת כוח בצורה של אנרגיה כימית ובאמצעות תגובות ממירה אותו לאנרגיה החשמלית הדרושה להפעלת כלי רכב, מחשבים ניידים והתקנים ומכונות אחרים. ישנם מספר סוגים של סוללות, אך רובן פועלות באותה צורה בסיסית ומכילות את אותם רכיבים בסיסיים.

סוללה מורכבת משתי אלקטרודות – האנודה והקתודה, העשויות בדרך כלל מחומרים שונים – וכן מפריד ואלקטרוליט, תווך כימי המאפשר זרימת מטען חשמלי. במהלך פריקת הסוללה, אלקטרונים זורמים מהאנודה למעגל חיצוני ואז נאספים בקתודה.

בסוללת ליתיום-יון, כפי ששמה מרמז, מטען מועבר באמצעות יוני ליתיום כשהם נעים דרך האלקטרוליט מהאנודה לקתודה במהלך הפריקה, וחוזר חלילה במהלך הטעינה מחדש.

"הקתודה שלנו מבוססת ברזל לא תהיה מוגבלת על ידי מחסור במשאבים", אמר ג'י, והסביר כי ברזל, בנוסף להיותו היסוד הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ כפי שנמדד במסה, הוא היסוד הרביעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ. . "לא יגמר לנו הברזל עד שהשמש תהפוך לענק אדום."

עיצוב כימי חדשני משפר את תגובתיות הברזל

Ji ומשתפי פעולה מאוניברסיטאות מרובות ומעבדות לאומיות הגבירו את התגובתיות של ברזל בקתודה שלהם על ידי תכנון סביבה כימית המבוססת על תערובת של אניונים פלואור ופוספט – יונים בעלי מטען שלילי.

התערובת, מעורבת היטב כפתרון מוצק, מאפשרת המרה הפיכה – כלומר ניתן לטעון את הסוללה – של תערובת דקה של אבקת ברזל, ליתיום פלואוריד וליתיום פוספט למלחי ברזל.

"הוכחנו שעיצוב החומרים עם אניונים יכול לשבור את תקרת צפיפות האנרגיה עבור סוללות שהן בנות קיימא יותר ועולות פחות", אמר ג'י. "אנחנו לא משתמשים במלח יקר יותר בשילוב עם ברזל – רק באלה שתעשיית הסוללות השתמשה ואז באבקת ברזל. כדי להכניס את הקתודה החדשה הזו ליישומים, אין צורך לשנות שום דבר אחר – אין אנודות חדשות, אין קווי ייצור חדשים, אין עיצוב חדש של הסוללה. אנחנו רק מחליפים דבר אחד, הקתודה".

סיכויי עתיד והשפעה סביבתית

יעילות האחסון עדיין צריכה להשתפר, אמר Ji. נכון לעכשיו, לא כל החשמל שהוכנס לסוללה במהלך הטעינה זמין לשימוש עם הפריקה. כאשר השיפורים הללו יבוצעו, וג'י מצפה שהם יהיו, התוצאה תהיה סוללה שעובדת הרבה יותר טוב מאלה שנמצאות בשימוש כעת תוך שהיא עולה פחות וירוקה יותר.

"אם יש השקעה בטכנולוגיה הזו, לא אמור לקחת הרבה זמן עד שהיא תהיה זמינה מסחרית", אמר ג'י. "אנחנו צריכים את אנשי החזון של התעשייה כדי להקצות משאבים לתחום מתפתח זה. בעולם יכולה להיות תעשיית קתודה המבוססת על מתכת שהיא כמעט חופשית בהשוואה לקובלט וניקל. ולמרות שאתה צריך לעבוד קשה מאוד כדי למחזר קובלט וניקל, אתה אפילו לא צריך למחזר ברזל – זה פשוט הופך לחלודה אם אתה נותן לזה ללכת".

תוכנית מדעי האנרגיה הבסיסיים של משרד האנרגיה האמריקני מימנה את המחקר הזה, שהובל בשיתוף Tongchao Liu מהמעבדה הלאומית של Argonne וכלל גם את Mingliang Yu ממדינת אורגון, Min Soo Jung ושון Sandstrom. תרמו גם מדענים מאוניברסיטת ונדרבילט, אוניברסיטת סטנפורד, אוניברסיטת מרילנד, המעבדה הלאומית לורנס ברקלי ומעבדת המאיץ הלאומית של SLAC.