עתיד נטול קובלט: חומר הסוללה האורגני החדש של MIT עשוי לחולל מהפכה בכלי רכב חשמליים

כימאים ב-MIT יצרו קתודה של סוללה מחומרים אורגניים, שיכולה להפחית את התלות של תעשיית הרכב החשמלי במתכות נדירות.

רכבים חשמליים רבים מונעים על ידי סוללות המכילות קובלט – מתכת הנושאת עלויות כספיות, סביבתיות וחברתיות גבוהות.

חוקרי MIT תכננו כעת חומר סוללה שיכול להציע דרך בת קיימא יותר להניע מכוניות חשמליות. סוללת הליתיום-יון החדשה כוללת קתודה המבוססת על חומרים אורגניים, במקום קובלט או ניקל (מתכת נוספת המשמשת לעתים קרובות בסוללות ליתיום-יון).

במחקר חדש הראו החוקרים שחומר זה, שניתן לייצר בעלות נמוכה בהרבה מסוללות המכילות קובלט, יכול להוליך חשמל בקצבים דומים לסוללות קובלט. לסוללה החדשה יש גם קיבולת אחסון דומה וניתן להטעין אותה מהר יותר מאשר סוללות קובלט, כך מדווחים החוקרים.

"אני חושב שלחומר הזה יכולה להיות השפעה גדולה כי הוא עובד ממש טוב", אומרת Mircea Dincă, פרופסור WM Keck לאנרגיה ב- MIT. "זה כבר תחרותי עם טכנולוגיות קיימות, וזה יכול לחסוך הרבה מהעלות והכאב ובעיות סביבתיות הקשורות לכריית המתכות שנכנסות כעת לסוללות".

Dincă הוא הכותב הבכיר של המחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת ACS Central Science. טיאניאנג צ'ן PhD '23 והריש בנדה, פוסט דוקטורט לשעבר ב-MIT, הם הכותבים הראשיים של המאמר. מחברים אחרים כוללים את Jiande Wang, פוסט דוקטורט ב-MIT; יוליוס אופנהיים, סטודנט לתואר שני ב-MIT; ואלסנדרו פרנצ'סקי, עמית מחקר באוניברסיטת בולוניה.

חלופות לקובלט

רוב המכוניות החשמליות מופעלות על ידי סוללות ליתיום-יון, סוג של סוללה הנטענת כאשר יוני ליתיום זורמים מאלקטרודה בעלת מטען חיובי, הנקראת קתודה, לאלקטרודה שלילית, הנקראת אנודה. ברוב סוללות הליתיום-יון, הקתודה מכילה קובלט, מתכת המציעה יציבות גבוהה וצפיפות אנרגיה.

עם זאת, לקובלט יש חסרונות משמעותיים. מתכת נדירה, מחירה יכול להשתנות בצורה דרמטית, וחלק ניכר ממרבצי הקובלט בעולם נמצאים במדינות לא יציבות מבחינה פוליטית. הפקת קובלט יוצרת תנאי עבודה מסוכנים ויוצרת פסולת רעילה המזהמת את הקרקע, האוויר והמים המקיפים את המכרות.

"סוללות קובלט יכולות לאחסן הרבה אנרגיה, ויש להן את כל התכונות שחשובות לאנשים מבחינת ביצועים, אבל יש להן בעיה של אי זמינות נרחבת, והעלות משתנה בהתאם למחירי הסחורות. וכאשר אתה עובר לשיעור גבוה בהרבה של כלי רכב מחושמלים בשוק הצרכני, זה בהחלט הולך להתייקר", אומר דינקה.

בגלל החסרונות הרבים של קובלט, מחקר רב הושקע בניסיון לפתח חומרי סוללה חלופיים. חומר אחד כזה הוא ליתיום-ברזל-פוספט (LFP), שבו חלק מיצרני הרכב מתחילים להשתמש בכלי רכב חשמליים. למרות שעדיין שימושי בפועל, ל-LFP יש רק כמחצית מצפיפות האנרגיה של סוללות קובלט וניקל.

אפשרות מושכת נוספת הם חומרים אורגניים, אך עד כה רוב החומרים הללו לא הצליחו להתאים למוליכות, ליכולת האחסון ולאורך החיים של סוללות המכילות קובלט. בגלל המוליכות הנמוכה שלהם, חומרים כאלה בדרך כלל צריכים להיות מעורבים עם קלסרים כגון פולימרים, שעוזרים להם לשמור על רשת מוליכה. קלסרים אלו, המהווים לפחות 50 אחוז מהחומר הכולל, מורידים את קיבולת האחסון של הסוללה.

לפני כשש שנים החלה המעבדה של דינקה לעבוד על פרויקט, במימון למבורגיני, לפיתוח סוללה אורגנית שתוכל לשמש להנעת מכוניות חשמליות. תוך כדי עבודה על חומרים נקבוביים שחלקם היו אורגניים וחלקם לא אורגניים, דינקה ותלמידיו הבינו שחומר אורגני מלא שהם יצרו נראה שהוא עשוי להיות מוליך חזק.

חומר זה מורכב משכבות רבות של TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone), מולקולה קטנה אורגנית המכילה שלוש טבעות משושה התמזגות. שכבות אלו יכולות להימשך החוצה לכל כיוון, וליצור מבנה הדומה לגרפיט. בתוך המולקולות נמצאות קבוצות כימיות הנקראות כינונים, שהם מאגרי האלקטרונים, ואמינים, שעוזרים לחומר ליצור קשרי מימן חזקים.

קשרי מימן אלה הופכים את החומר ליציב מאוד וגם מאוד לא מסיס. אי מסיסות זו חשובה מכיוון שהיא מונעת מהחומר להתמוסס לתוך האלקטרוליט של הסוללה, כפי שעושים חומרי סוללה אורגניים, ובכך מאריכים את חייה.

"אחת השיטות העיקריות לפירוק של חומרים אורגניים היא שהם פשוט מתמוססים לתוך האלקטרוליט של הסוללה וחוצים לצד השני של הסוללה, ובעצם יוצרים קצר חשמלי. אם אתה הופך את החומר לבלתי מסיס לחלוטין, התהליך הזה לא קורה, אז אנחנו יכולים לעבור למעל 2,000 מחזורי טעינה עם השפלה מינימלית", אומר Dincă.

ביצועים חזקים

בדיקות של חומר זה הראו שהמוליכות ויכולת האחסון שלו היו דומות לזו של סוללות מסורתיות המכילות קובלט. כמו כן, ניתן להטעין ולפרוק סוללות עם קתודה TAQ מהר יותר מאשר סוללות קיימות, מה שעלול להאיץ את קצב הטעינה של כלי רכב חשמליים.

כדי לייצב את החומר האורגני ולהגביר את יכולת ההיצמדות שלו לקולט הזרם של הסוללה, העשוי מנחושת או אלומיניום, הוסיפו החוקרים חומרי מילוי כמו תאית וגומי. חומרי מילוי אלו מהווים פחות מעשירית מהקומפוזיט הכולל של הקתודה, כך שהם אינם מפחיתים משמעותית את קיבולת האחסון של הסוללה.

חומרי מילוי אלו גם מאריכים את אורך החיים של קתודה הסוללה על ידי מניעת פיצוחה כאשר יוני ליתיום זורמים לתוך הקתודה בזמן טעינת הסוללה.

החומרים העיקריים הדרושים לייצור סוג זה של קתודה הם מבשר כינון ומבשר אמין, שכבר זמינים מסחרית ומיוצרים בכמויות גדולות ככימיקלים סחורות. החוקרים מעריכים כי עלות החומר של הרכבת סוללות אורגניות אלו עשויה להיות כשליש עד חצי מהעלות של סוללות קובלט.

למבורגיני העניקה רישיון לפטנט על הטכנולוגיה. המעבדה של Dincă מתכננת להמשיך ולפתח חומרי סוללה חלופיים ובוחנת החלפה אפשרית של ליתיום בנתרן או מגנזיום, שהם זולים יותר ושופעים יותר מהליתיום.