טכניקת ביולוגיה בת עשרות שנים חושפת את המפתח להארכת חיי הסוללה של מטוסים חשמליים

מחקר שנערך לאחרונה הראה שתמיסת אלקטרוליטים פורצת דרך, שזוהתה באמצעות טכניקת מדעי הביולוגי, הכפילה פי ארבעה את חיי המחזור של סוללות המשמשות במטוסים חשמליים.

כשבאים להבין מדוע סוללות מטוסים חשמליים מאבדות כוח עם הזמן, בדרך כלל לא יעלה על דעתו לפנות לגישה בת עשרות שנים שבהן משתמשים ביולוגים כדי לחקור את המבנה והתפקוד של רכיבים באורגניזמים חיים. עם זאת, מסתבר ש-omics, תחום שעזר למדענים לפענח את סודות הגנום האנושי, יכול גם הוא למלא בקרוב תפקיד מפתח בהפיכת נסיעות אוויריות נטולות פחמן למציאות.

במחקר חדש בכתב העת ג'אוּל, צוות חוקרים בראשות המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי של משרד האנרגיה (מעבדת ברקלי) השתמש בטכניקות אומיקס כדי לחקור את האינטראקציות המורכבות בתוך האנודה, הקתודה והאלקטרוליט של סוללות מטוסים חשמליים. אחד הממצאים המשמעותיים ביותר היה הגילוי שמלחים מסוימים שהתערבבו באלקטרוליט הסוללה יצרו ציפוי מגן על חלקיקי הקתודה, מה שהופך אותם לעמידים הרבה יותר בפני קורוזיה, ובכך משפרים את חיי הסוללה.

צוות המחקר, הכולל מדענים מה- אוניברסיטת קליפורניה, ברקליאוניברסיטת מישיגן, ושותפי התעשייה ABA (פאלו אלטו, קליפורניה) ו-24M (קיימברידג', MA), אז תכננו ובחנו סוללת מטוס חשמלי באמצעות פתרון האלקטרוליט החדש שלהם. הסוללה הראתה עלייה של פי ארבע בהשוואה לסוללות קונבנציונליות במספר המחזורים שבאמצעותם היא יכלה לשמור על יחס הכוח לאנרגיה הדרוש לטיסת אוויר חשמלית. השלב הבא בפרויקט יהיה שהצוות ייצור מספיק סוללות (קיבולת כוללת של כ-100 קילוואט-שעה) לטיסת ניסוי צפויה לשנת 2025.

"מגזרי תחבורה כבדים, כולל תעופה, לא נחקרו במונחים של חשמול", אמר ברט הלמס, מחבר המחקר המקביל ומדען צוות בכיר ב-Berkeley Lab's Molecular Foundry. "העבודה שלנו מגדירה מחדש את מה שאפשר, דוחפת את הגבולות של טכנולוגיית הסוללה כדי לאפשר שחרור פחמן עמוק יותר."

נסיעות אוויריות חשמליות מציבות אתגרים ייחודיים

בניגוד לסוללות רכב חשמלי, המעניקות עדיפות לאנרגיה מתמשכת למרחקים ארוכים, סוללות מטוסים חשמליים עומדות בפני האתגר הייחודי של צרכי כוח גבוהים להמראה ונחיתה, בשילוב עם צפיפות אנרגיה גבוהה לטיסה ממושכת.

"ברכב חשמלי, אתה מתמקד בקיבולת דועכת לאורך זמן", אמר Youngmin Ko, חוקר פוסט-דוקטורט ב-Berkeley Lab's Molecular Foundry והמחבר הראשי של המחקר. "אבל עבור מטוסים, דעיכת הכוח היא קריטית – היכולת להשיג בעקביות הספק גבוה להמראה ונחיתה."

לדברי Ko, עיצובי הסוללות המסורתיים נופלים בהקשר זה, בעיקר בשל חוסר הבנה של מה שקורה בממשקים בין האלקטרוליט, האנודות והקתודות. קו אמר שכאן נכנסה לתמונה גישת האומיקס, מתודולוגיה שהושאלה ממדעי הביולוגיה לפענוח דפוסים משינויים בחתימות כימיות במערכות מורכבות.

"ביולוגים משתמשים באומיקה כדי לחקור את הקשר המורכב בין דברים כמו ביטוי גנים ו DNA מבנה," אמר הלמס. "לכן, רצינו לראות אם נוכל להשתמש בגישה דומה כדי לבחון את החתימות הכימיות של רכיבי הסוללה ולזהות את התגובות התורמות לדעיכת החשמל והיכן הן מתרחשות."

החוקרים מיקדו את הניתוח שלהם בסוללות מתכת ליתיום עם תחמוצות שכבות במתח גבוה ובצפיפות גבוהה המכילות ניקל, מנגן וקובלט. בניגוד למחקרים קודמים, שבדרך כלל חשבו שבעיית דהיית הכוח היא תוצאה של משהו שקורה באנודה של הסוללה, הצוות הבחין שדעיכת הספק נובעת בעיקר מהצד הקתודי. זה היה המקום שבו חלקיקים נסדקו והתכלו לאורך זמן, מעכבים את תנועת הטעינה והפחיתו את יעילות הסוללה. בנוסף, החוקרים מצאו כי אלקטרוליטים ספציפיים יכולים לשלוט בקצב הקורוזיה בממשק הקתודה.

"זו הייתה תוצאה לא ברורה", אמר קו. "מצאנו כי ערבוב מלחים באלקטרוליט יכול לדכא את התגובתיות של תגובתית בדרך כלל מִיןשיצר ציפוי מייצב ועמיד בפני קורוזיה".

לאחר שפיתחו את האלקטרוליט החדש שלהם, החוקרים בדקו אותו בסוללה בעלת קיבולת גבוהה. הוא הראה שימור כוח מעולה באמצעות משימה מציאותית להמראה ונחיתה אנכיים חשמליים. הצוות מקווה לייצר את הסוללות למבחן הטיסה הצפוי לשנת 2025 באב טיפוס של מטוס שנעשה על ידי ארבעה שותפים eVTOL (המראה ונחיתה אנכית) עד סוף השנה. במבט קדימה, הלמס וקו אמרו שהצוות ומשתפי הפעולה שלהם מתכננים להרחיב את השימוש באומיקה במחקר סוללות, לחקור את האינטראקציות של רכיבי אלקטרוליטים שונים כדי להבין ולהתאים יותר את הביצועים של סוללות למקרי שימוש נוכחיים ומתפתחים בתחבורה וברשת. .

The Molecular Foundry הוא מתקן משתמש של משרד DOE of Science במעבדת ברקלי.

עבודה זו נתמכה על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של DOE (ARPA-E) ומשרד המדע של DOE.