צורה חדשה של סוללה מהמעבדה לאחסון והמרת אנרגיה של פרופ' י. שירלי מנג – שיתוף פעולה בין בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker ומחלקת המשפחה של Aiiso Yufeng Li של אוניברסיטת קליפורניה להנדסה כימית וננו – מביאה זולה, טעינה מהירה, סוללות בעלות קיבולת גבוהה עבור כלי רכב חשמליים ואחסון רשת קרוב מתמיד. קרדיט: בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker / John Zich
חוקרים מהמעבדה של פרופסור י. שירלי מנג של UChicago לאחסון והמרת אנרגיה יצרו את הסוללה הראשונה נטולת האנודה במצב מוצק נתרן.
על ידי פיתוח סוללה זו, ה-LESC – יוזמה משותפת בין בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker והמחלקה המשפחתית להנדסת כימיה וננו של אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו – הביאה את המציאות של זולה, טעינה מהירה, גבוהה- סוללות קיבולת לכלי רכב חשמליים ואחסון רשת קרובים מתמיד.
"למרות שהיו סוללות קודמות של נתרן, מצב מוצק ואנודה, אף אחד לא הצליח לשלב את שלושת הרעיונות האלה עד עכשיו", אמר המועמד לדוקטורט באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, גרייסון דיישר, המחבר הראשון של מאמר חדש המתאר את מחקר.
התקדמות באנרגיה בת קיימא
פורסם לאחרונה ב אנרגיית הטבע, העיתון חושף ארכיטקטורת סוללת נתרן חדשה עם רכיבה יציבה לכמה מאות מחזורים. על ידי הסרת האנודה ושימוש בנתרן זול ושופע במקום ליתיום, צורת הסוללה החדשה הזו תהיה זולה יותר וידידותית לסביבה לייצור. באמצעות העיצוב החדשני שלה, הסוללה תהיה גם בטוחה וחזקה.
עבודה זו היא גם התקדמות במדע וגם צעד הכרחי כדי למלא את הפער בקנה מידה של הסוללה הדרוש כדי להעביר את הכלכלה העולמית מדלק מאובנים. "כדי לשמור על פעילות ארה"ב למשך שעה אחת, עלינו לייצר שעה אחת של טרה-וואט של אנרגיה", אמר מנג. "כדי להגשים את המשימה שלנו להפחתת פחמן בכלכלה שלנו, אנחנו צריכים כמה מאות שעות טרה-וואט של סוללות. אנחנו צריכים עוד סוללות, ואנחנו צריכים אותן מהר".
מועמד לדוקטורט באוניברסיטת UC San Diego Grayson Deysher הוא המחבר הראשון של המאמר המתאר את עבודת הצוות. מועמד לדוקטורט באוניברסיטת UC San Diego Grayson Deysher הוא המחבר הראשון של המאמר המתאר את עבודת הצוות. קרדיט: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering
ההבטחה של נתרן על ליתיום
הליתיום הנפוץ לסוללות הוא דל. הוא מהווה כ-20 חלקים למיליון מקרום כדור הארץ, בהשוואה לנתרן, המהווה 20,000 חלקים למיליון. המחסור הזה, בשילוב עם העלייה בביקוש לסוללות ליתיום-יון למחשבים ניידים, טלפונים ורכבי חשמל, הובילו לעלייה במחירים, והרחיקו את הסוללות הדרושות רחוק יותר מהישג ידם.
כמו כן מרוכזים מרבצי ליתיום. "משולש הליתיום" של צ'ילה, ארגנטינה ובוליביה מחזיק ביותר מ-75% מאספקת הליתיום בעולם, עם מרבצים נוספים באוסטרליה, צפון קרולינה ונבאדה. זה מועיל לכמה מדינות על פני אחרות בדה-קרבוניזציה הדרושה כדי להילחם בשינויי האקלים.
"פעולה גלובלית מחייבת עבודה משותפת כדי לגשת לחומרים חשובים ביותר", אמר מנג.
מיצוי ליתיום גם פוגע בסביבה, בין אם מחומצות תעשייתיות המשמשות לפירוק עפרות כרייה או מיצוי תמלחת נפוץ יותר השואב כמויות אדירות של מים אל פני השטח לייבוש. נתרן, הנפוץ בכריית מי אוקיינוס ואפר סודה, הוא חומר סוללה ידידותי יותר לסביבה מטבעו. מחקר ה-LESC הפך אותו גם לחזק.
א) סכימת תא עבור אנודות פחמן, אנודות סגסוגת ותצורה ללא אנודה. ב) השוואת צפיפות אנרגיה תיאורטית לחומרי אנודי נתרן שונים. ג) סכמטי הממחיש את הדרישות להפעלת סוללה ללא אנודה במצב מוצק. קרדיט: מעבדה לאחסון והמרת אנרגיה
חידושים אדריכליים חדשים
כדי ליצור סוללת נתרן עם צפיפות האנרגיה של סוללת ליתיום, הצוות היה צריך להמציא ארכיטקטורת סוללת נתרן חדשה. לסוללות מסורתיות יש אנודה לאחסון היונים בזמן שהסוללה נטענת. בזמן שהסוללה בשימוש, היונים זורמים מהאנודה דרך אלקטרוליט לקולט זרם (קתודה), ומניעים מכשירים ומכוניות לאורך הדרך.
סוללות ללא אנודה מסירות את האנודה ומאחסנות את היונים בתצהיר אלקטרוכימי של מתכת אלקלית ישירות על קולט הזרם. גישה זו מאפשרת מתח תאים גבוה יותר, עלות תא נמוכה יותר וצפיפות אנרגיה מוגברת, אך מביאה אתגרים משלה.
"בכל סוללה נטולת אנודה צריך להיות מגע טוב בין האלקטרוליט לקולט הזרם", אמר דישר. "זה בדרך כלל קל מאוד כשמשתמשים באלקטרוליט נוזלי, מכיוון שהנוזל יכול לזרום לכל מקום ולהרטיב כל משטח. אלקטרוליט מוצק לא יכול לעשות זאת."
עם זאת, אלקטרוליטים נוזליים אלו יוצרים הצטברות הנקראת interphase אלקטרוליט מוצק תוך צריכת חומרים פעילים באופן קבוע, ומפחיתים את התועלת של הסוללה לאורך זמן.
גישות חדשות וצפי עתיד
הצוות נקט בגישה חדשנית וחדשנית לבעיה זו. במקום להשתמש באלקטרוליט המקיף את קולט הזרם, הם יצרו קולט זרם המקיף את האלקטרוליט. הם יצרו את קולט הזרם שלהם מאבקת אלומיניום, מוצק שיכול לזרום כמו נוזל.
במהלך הרכבת הסוללה האבקה נצפתה בלחץ גבוה ליצירת קולט זרם מוצק תוך שמירה על מגע דמוי נוזל עם האלקטרוליט, מה שמאפשר רכיבה זולה ויעילות גבוהה שיכולה לדחוף את הטכנולוגיה המשנה את המשחק קדימה.
"סוללות נתרן במצב מוצק נתפסות בדרך כלל כטכנולוגיה רחוקה לעתיד, אך אנו מקווים שהמאמר הזה יכול להמריץ דחיפה נוספת לאזור הנתרן על ידי הוכחה שהוא אכן יכול לעבוד היטב, אפילו טוב יותר מהליתיום גרסה במקרים מסוימים", אמר דישר.
המטרה האולטימטיבית? מנג צופה עתיד אנרגיה עם מגוון אפשרויות סוללה נקיות ולא יקרות המאחסנות אנרגיה מתחדשת, בקנה מידה שיתאים לצרכי החברה.
מנג ודישר הגישו בקשת פטנט על עבודתם דרך המשרד לחדשנות ומסחור של UC San Diego.
מימון: מימון לתמיכה בעבודה זו סופק על ידי הקרן הלאומית למדע באמצעות מענק שותפויות לחדשנות (PFI) מס. 2044465
