סוללות מתכת ליתיום, שיכולות לאגור פי שניים מהאנרגיה של סוללות ליתיום-יון, מתמודדות עם אתגרים סביבתיים בשל הצורך בממיסים ומלחים מופלרים. קבוצת מחקר ב-ETH ציריך, בראשות מריה Lukatskaya, פיתחה שיטה להפחתת תכולת הפלואור, שיפור יציבות הסוללה והפיכתן ליותר ידידותיות לסביבה וחסכוניות.
ETH ציריך פיתחה שיטה שמצמצמת באופן דרמטי את השימוש בפלואור בסוללות מתכת ליתיום, מכפילה את יכולת אחסון האנרגיה תוך שיפור הבטיחות והידידותיות לסביבה.
סוללות מתכת ליתיום בולטות כמתחרה מובילה לגל הבא של סוללות מתקדמות בעלות אנרגיה גבוהה. הם מציעים לפחות אחסון אנרגיה כפול ליחידת נפח בהשוואה לסוללות הליתיום-יון הנפוצות. כתוצאה מכך, התקדמות זו יכולה לאפשר לרכב חשמלי לעבור מרחק כפול בטעינה בודדת או לאפשר לסמארטפון לדרוש טעינה בתדירות נמוכה יותר.
נכון לעכשיו, יש עדיין חסרון אחד מכריע עם סוללות מתכת ליתיום: האלקטרוליט הנוזלי דורש תוספת של כמויות משמעותיות של ממיסים מופלרים ומלחים מופלרים, מה שמגדיל את טביעת הרגל הסביבתית שלו. אולם ללא תוספת של פלואור, סוללות מתכת ליתיום יהיו לא יציבות, הן יפסיקו לעבוד לאחר מעט מאוד מחזורי טעינה ויועדו לקצר חשמלי, כמו גם להתחממות יתר ולהתלקחות. קבוצת מחקר בראשות מריה לוקצקאיה, פרופסור למערכות אנרגיה אלקטרוכימיות ב-ETH ציריך, פיתחה כעת שיטה חדשה שמפחיתה באופן דרמטי את כמות הפלואור הדרושה בסוללות מתכת ליתיום, ובכך הופכת אותן לידידותיות יותר לסביבה ויציבות יותר, כמו גם עלות- יָעִיל.
שכבת הגנה יציבה מגבירה את הבטיחות והיעילות של הסוללה
התרכובות המופלרות מאלקטרוליטים עוזרות להיווצרות שכבת הגנה סביב הליתיום המתכתי באלקטרודה השלילית של הסוללה. "ניתן להשוות את שכבת ההגנה הזו לאמייל של שן", מסביר לוקאצקיה. "זה מגן על הליתיום המתכתי מפני תגובה מתמשכת עם רכיבי אלקטרוליט." בלעדיו, האלקטרוליט יתרוקן במהירות במהלך רכיבה על אופניים, התא ייכשל, והיעדר שכבה יציבה יגרום להיווצרות שפם של מתכת ליתיום – 'דנדריטים' – במהלך תהליך הטעינה במקום שכבה שטוחה קונפורמית.
אם הדנדריטים הללו יגעו באלקטרודה החיובית, הדבר יגרום לקצר חשמלי עם סיכון שהסוללה תתחמם עד כדי כך שהיא תתלקח. היכולת לשלוט במאפיינים של שכבת הגנה זו היא אפוא קריטית לביצועי הסוללה. שכבת הגנה יציבה מגבירה את יעילות הסוללה, הבטיחות וחיי השירות.
מזעור תכולת הפלואור
"השאלה הייתה כיצד להפחית את כמות הפלואור המוסף מבלי לפגוע ביציבות שכבת ההגנה", אומר הדוקטורנט נתן הונג. השיטה החדשה של הקבוצה משתמשת במשיכה אלקטרוסטטית כדי להשיג את התגובה הרצויה. כאן, מולקולות מופלרות טעונות חשמלית משמשות כלי להובלת הפלואור לשכבת ההגנה. המשמעות היא שרק 0.1 אחוז לפי משקל של פלואור נדרש באלקטרוליט הנוזלי, שהוא נמוך פי 20 לפחות מאשר במחקרים קודמים.
השיטה האופטימלית הופכת את הסוללות לירוקות יותר
קבוצת המחקר של ETH ציריך מתארת את השיטה החדשה ואת העקרונות הבסיסיים שלה במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת מדעי האנרגיה והסביבה. הוגשה בקשה לפטנט.
אחד האתגרים הגדולים ביותר היה למצוא את המולקולה הנכונה שאליה ניתן לחבר פלואור ושגם תתפרק שוב בתנאים הנכונים ברגע שתגיע למתכת הליתיום. כפי שהקבוצה מסבירה, יתרון מרכזי של שיטה זו הוא שניתן לשלב אותה בצורה חלקה בתהליך ייצור הסוללה הקיים מבלי ליצור עלויות נוספות לשינוי מערך הייצור. הסוללות ששימשו במעבדה היו בגודל של מטבע. בשלב הבא מתכננים החוקרים לבדוק את יכולת ההרחבה של השיטה וליישם אותה על תאי פאוץ' כפי שמשמשים בסמארטפונים.
