חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו חומר קתודה חדש לסוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק, המשפר באופן משמעותי את המוליכות החשמלית ואת תכונות הריפוי העצמי שלהן. חומר זה נותן מענה לאתגרים מרכזיים הקשורים לקתודות גופרית, כגון מוליכות אלקטרונית ירודה ונזק מבני במהלך השימוש. החידוש טומן בחובו הבטחה להכפלת צפיפות האנרגיה של סוללות בכלי רכב חשמליים מבלי להגדיל משקל ומאריך את חיי הסוללה, מה שהופך סוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק לאופציה מעשית וידידותית יותר לסביבה. קרדיט: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
החוקרים התקרבו צעד אחד להפיכת סוללות מצב מוצק מליתיום וגופרית למציאות מעשית. צוות בראשות מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתח חומר קתודה חדש לסוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק, המוליך חשמלית וניתן לריפוי מבנית – תכונות שמתגברות על המגבלות של הקתודות הנוכחיות של הסוללות הללו.
העבודה פורסמה לאחרונה בכתב העת טֶבַע.
סוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק הן סוג של סוללה נטענת המורכבת מאלקטרוליט מוצק, אנודה העשויה ממתכת ליתיום וקתודה עשויה גופרית. לסוללות אלה יש הבטחה כחלופה מעולה לסוללות הליתיום-יון הנוכחיות שכן הן מציעות צפיפות אנרגיה מוגברת ועלויות נמוכות יותר. יש להן פוטנציאל לאגור עד פי שניים אנרגיה לקילוגרם מאשר סוללות ליתיום-יון קונבנציונליות – במילים אחרות, הן יכולות להכפיל את טווח הרכבים החשמליים מבלי להגדיל את משקל ערכת הסוללות. בנוסף, השימוש בחומרים בשפע, שניתן להשיג בקלות, הופך אותם לבחירה משתלמת כלכלית וידידותית יותר לסביבה.
אתגרים ופריצות דרך
עם זאת, הפיתוח של סוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק נפגע היסטורית על ידי המאפיינים הטבועים של קתודות גופרית. לא רק שגופרית היא מוליך אלקטרונים גרוע, אלא שגם קתודות הגופרית חוות התרחבות והתכווצות משמעותית במהלך טעינה ופריקה, מה שמוביל לנזק מבני ולירידה במגע עם האלקטרוליט המוצק. בעיות אלה יחד מפחיתות את יכולת הקתודה להעביר מטען, ופוגעות בביצועים הכוללים ובאורך החיים של סוללת המצב המוצק.
כדי להתגבר על האתגרים הללו, צוות בראשות חוקרים ממרכז הכוח והאנרגיה בר-קיימא של UC San Diego פיתח חומר קתודה חדש: גביש המורכב מגופרית ויוד. על ידי החדרת מולקולות יוד למבנה הגופרית הגבישי, החוקרים הגדילו באופן דרסטי את המוליכות החשמלית של חומר הקתודה ב-11 סדרי גודל, והפכו אותו למוליכים פי 100 מיליארד מגבישים העשויים מגופרית בלבד.
חומר הקתודה נרפא על ידי התכה מאבקה חומה לנוזל סגול-אדום עמוק. קרדיט: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
"אנחנו מאוד נרגשים מהגילוי של החומר החדש הזה", אמר מחבר שותף בכיר במחקר פינג ליו, פרופסור לננו-הנדסה ומנהל מרכז הכוח והאנרגיה בר-קיימא באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. "העלייה הדרסטית במוליכות החשמלית בגופרית היא הפתעה ומעניינת מאוד מבחינה מדעית."
יתר על כן, לחומר הקריסטל החדש יש נקודת התכה נמוכה של 65 מעלות צֶלסִיוּס (149 מעלות פרנהייט), הנמוכה מהטמפרטורה של ספל קפה חם. משמעות הדבר היא שניתן להמיס מחדש בקלות את הקתודה לאחר טעינת הסוללה כדי לתקן את הממשקים הפגומים מהרכיבה על אופניים. זוהי תכונה חשובה לטיפול בנזק המצטבר המתרחש בממשק מוצק-מוצק בין הקתודה והאלקטרוליט במהלך טעינה ופריקה חוזרות ונשנות.
"קתודה גופרית-יודיד זו מציגה תפיסה ייחודית לניהול כמה מהמכשולים העיקריים למסחור של סוללות Li-S", אמר מחבר שותף בכיר במחקר Shyue Ping Ong, פרופסור לננו-הנדסה בבית הספר להנדסה בסן דייגו ג'ייקובס. "יוד משבש את הקשרים הבין-מולקולריים המחזיקים מולקולות גופרית ביחד בדיוק במידה הנכונה כדי להוריד את נקודת ההיתוך שלו לאזור הזהבה – מעל טמפרטורת החדר אך עדיין נמוכה מספיק כדי שהקתודה תתרפא מחדש באמצעות התכה."
"נקודת ההיתוך הנמוכה של חומר הקתודה החדש שלנו מאפשרת תיקון הממשקים, פתרון מבוקש לסוללות אלה", אמר מחבר המחקר הראשון Jianbin Zhou, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר בהנדסת ננו מקבוצת המחקר של ליו. "החומר החדש הזה הוא פתרון מאפשר לסוללות עתידיות בצפיפות אנרגיה גבוהה במצב מוצק."
העתיד של סוללות מוצק
כדי לאמת את היעילות של החומר הקתודי החדש, החוקרים בנו סוללת בדיקה והעבירו אותה למחזורי טעינה ופריקה חוזרים ונשנים. הסוללה נשארה יציבה במשך למעלה מ-400 מחזורים תוך שמירה על 87 אחוז מהקיבולת שלה.
"תגלית זו היא בעלת פוטנציאל לפתור את אחד האתגרים הגדולים ביותר בהכנסת סוללות ליתיום-גופרית במצב מוצק על ידי הגדלת אורך החיים השימושיים של סוללה באופן דרמטי", אמר מחבר המחקר כריסטופר ברוקס, מדען ראשי במכון המחקר הונדה בארה"ב. , Inc. "היכולת של סוללה להחלים מעצמה פשוט על ידי העלאת הטמפרטורה יכולה להאריך משמעותית את מחזור חיי הסוללה הכולל, וליצור מסלול פוטנציאלי ליישום בעולם האמיתי של סוללות מוצק."
הצוות פועל לקידום נוסף של טכנולוגיית סוללת הליתיום-גופרית במצב מוצק על ידי שיפור עיצובי הנדסת תאים והגדלת פורמט התא.
"למרות שנותר הרבה מה לעשות כדי לספק סוללת מצב מוצק קיימא, העבודה שלנו היא צעד משמעותי", אמר ליו. "עבודה זו התאפשרה הודות לשיתופי פעולה נהדרים בין הצוותים שלנו ב-UC סן דייגו ושותפי המחקר שלנו במעבדות הלאומיות, באקדמיה ובתעשייה."
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) סוכנות לפרויקטים מתקדמים למחקר (DE-AR0000781), משרד המדע האמריקאי של DOE (DEAC02-05-CH11231).
