עיצוב סוללות מוצק מהפכני סולל את הדרך לאנרגיה בטוחה יותר ועמידה יותר

פריצת דרך בטכנולוגיית סוללות במצב מוצק עם שיטת פיזור אלקטרודה חדשה מגדילה את היעילות ואת תוחלת החיים.

צוות מחקר, המורכב מפרופסור סוג'ין פארק מהמחלקה לכימיה, המועמד לדוקטורט סנג'יאופ לי מהחטיבה למדעי החומרים המתקדמים, וד"ר סונג'ין צ'ו וסטודנטית לתואר שני Hyunbeen Choi מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה ( POSTECH), וד"ר ג'ין הונג קים וד"ר Hongyeul Bae מהרכזת POSCO N.EX.T, שיפרו לאחרונה את הביצועים והעמידות של סוללות מוצק לחלוטין. פריצת דרך זו התאפשרה באמצעות יישום של גישה חדשנית המכונה פיזור תחתון.⁽¹⁾ המחקר שלהם פורסם בכתב העת הבינלאומי קָטָן.

התמודדות עם האתגרים של בטיחות הסוללה

בשימוש ביישומים שונים כגון כלי רכב חשמליים ומערכות אחסון אנרגיה, סוללות משניות מסתמכות בדרך כלל על אלקטרוליטים נוזליים. עם זאת, דליקותם של אלקטרוליטים נוזליים מהווה סיכון לשריפות. זה מעורר מאמצי מחקר מתמשכים לחקור את השימוש באלקטרוליטים מוצקים ובליתיום מתכת (Li) בסוללות במצב מוצק, המציעים אפשרות בטוחה יותר.

בפעולת סוללות במצב מוצק, ליתיום מצופה על האנודה, ותנועת האלקטרונים רתומה לייצור חשמל. במהלך תהליך הטעינה והפריקה, מתכת הליתיום עוברת מחזור של איבוד אלקטרונים, הפיכה ליון, החזרת אלקטרונים והוצאה אלקטרוסטית חזרה לצורתה המתכתית. עם זאת, משקולת ליתיום ללא אבחנה עלולה לרוקן במהירות את הליתיום הזמין, ולהוביל להפחתה משמעותית בביצועי הסוללה ובעמידותה.

חידושים בהגנת האנודה

כדי לטפל בבעיה זו, צוות המחקר שיתף פעולה עם רכזת POSCO N.EX.T כדי לפתח שכבת הגנה לאנודה המורכבת מקשר פונקציונלי (PVA-g-PAA)⁽²⁾ עבור כל סוללות במצב מוצק. שכבה זו מציגה תכונות העברת ליתיום יוצאות דופן, מונעת שיקוע אלקטרוקטוני אקראי ומקדמת תהליך של 'השקעת אלקטרוקטונית'. זה מבטיח שהליתיום מופקד באופן אחיד מתחתית משטח האנודה.

באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM), צוות המחקר ביצע ניתוח שאישר את התקנת האלקטרונית והניתוק היציבים⁽³⁾ של יוני ליתיום. זה הפחית משמעותית את צריכת הליתיום המיותרת. סוללות במצב מוצק שפותחו על ידי הצוות גם הדגימו ביצועים אלקטרוכימיים יציבים לאורך תקופות ממושכות אפילו עם מתכת ליתיום דקה עד 10 מיקרומטר (מיקרומטר) או פחות.

פרופסור סוג'ין פארק שהוביל את המחקר הביע את מחויבותו באומרו, "המצאנו מערכת סוללות מתמשכת של כל מצב מוצק באמצעות אסטרטגיה חדשה של שיקוע אלקטרוד". הוא הוסיף, "עם מחקר נוסף, אנו שואפים לספק דרכים יעילות יותר לשפר את חיי הסוללה ולהגדיל את צפיפות האנרגיה." בהתבסס על הממצאים המשותפים, POSCO Holdings מתכננת להתקדם למסחור של אנודות מתכת ליתיום, חומר ליבה לדור הבא של סוללות משניות.

הערות

1. אלקטרודפוזיציה
   שיטת הנחת מתכת על אלקטרודה השקועה באלקטרוליט על ידי העברת זרם חשמלי דרך האלקטרוליט
2. PVA-g-PAA
   פולי (אלכוהול ויניל)-שתלת-פולי (אקריליק חוּמצָה)
3. לנתק
   להתנתק או להיפרד, תופעה שבה מתכת ליתיום מאבדת אלקטרונים והופכת ליוני ליתיום

המחקר נערך בתמיכת POSCO Holdings, משרד הסחר, התעשייה והאנרגיה והמכון לתכנון והערכה של קוריאה לטכנולוגיה תעשייתית (KEIT).