חוקרים פיתחו 'סוללות מים' חדשניות המציעות חלופה בטוחה וניתנת למחזור לסוללות ליתיום-יון לאגירת אנרגיה בקנה מידה גדול. סוללות מתכת-יון מימיות אלו משתמשות במים במקום באלקטרוליטים דליקים, ומונעות סכנות אש. העיצוב בר-קיימא שלהם מקל על פירוק קל לשימוש חוזר או מיחזור חומרים. התקדמויות משמעותיות כוללות התגברות על צמיחת הדנדריטים, הארכת תוחלת חיי הסוללה והשגת צפיפות אנרגיה תחרותית עם יישומים פוטנציאליים באחסון רשת ושילוב אנרגיה מתחדשת. הצלחת הפרויקט מושתתת על ידי שיתוף פעולה גלובלי ושותפויות בתעשייה, מה שמאותת כיוון מבטיח לפתרונות אחסון אנרגיה בטוחים ויעילים יותר. (קונספט האמן). קרדיט: twoday.co.il.com
צוות עולמי של חוקרים ומשתפי פעולה בתעשייה בראשות אוניברסיטת RMIT פיתח 'סוללות מים' הניתנות למחזור שלא יעלו באש או יתפוצצו.
אגירת אנרגיה ליתיום-יון שולטת בשוק בשל הבגרות הטכנולוגית שלו, אך התאמתו לאחסון אנרגיית רשת בקנה מידה גדול מוגבלת על ידי דאגות בטיחותיות עם החומרים הנדיפים שבתוכו.
החוקר המוביל פרופסור Tianyi Ma אמר שהסוללות שלהם היו בחזית התחום המתפתח של התקני אחסון אנרגיה מימית, עם פריצות דרך שמשפרות משמעותית את ביצועי הטכנולוגיה ואת תוחלת החיים.
"מה שאנחנו מתכננים ומייצרים נקראים סוללות מתכת-יון מימיות – או שאנחנו יכולים לקרוא להן סוללות מים", אמרה מא, מבית הספר למדעים של RMIT.
הצוות משתמש במים כדי להחליף אלקטרוליטים אורגניים – המאפשרים זרימת זרם חשמלי בין המסוף החיובי והשלילי – כלומר הסוללות שלהם לא יכולות להצית אש או להתפוצץ – בניגוד לעמיתיהם הליתיום-יון.
"בהתמודדות עם אתגרי סילוק סוף החיים איתם מתמודדים צרכנים, תעשייה וממשלות ברחבי העולם עם טכנולוגיית אחסון האנרגיה הנוכחית, ניתן לפרק את הסוללות שלנו בבטחה ולעשות שימוש חוזר בחומרים או למחזר אותם", אמר מא.
הפשטות של תהליכי הייצור של סוללות המים שלהם סייעה להפוך את הייצור ההמוני לאפשרי, אמר.
"אנו משתמשים בחומרים כמו מגנזיום ואבץ שהם בשפע בטבע, זולים ופחות רעילים מאלטרנטיבות המשמשות בסוגים אחרים של סוללות, מה שעוזר להוזיל את עלויות הייצור ומפחית סיכונים לבריאות האדם ולסביבה".
מה פוטנציאל אגירת האנרגיה ומחזור החיים?
הצוות יצר סדרה של סוללות ניסוי בקנה מידה קטן עבור מחקרים רבים שנבדקו עמיתים כדי להתמודד עם אתגרים טכנולוגיים שונים, כולל הגברת קיבולת אחסון האנרגיה ותוחלת החיים.
בעבודה האחרונה שלהם, שפורסמה ב חומרים מתקדמיםהם ניצחו על אתגר גדול – צמיחת דנדריטים משבשים, שהם תצורות מתכתיות דוקרניות שעלולות להוביל לקצר חשמלי ולתקלות חמורות אחרות.
הצוות ציפה חלקי סוללה מושפעים במתכת הנקראת ביסמוט ובתחמוצת שלה (הידועה גם בשם חלודה) כשכבת הגנה שמנעה היווצרות דנדריטים.
התוצאה?
"הסוללות שלנו מחזיקות כעת זמן רב יותר באופן משמעותי – בהשוואה לסוללות הליתיום-יון המסחריות בשוק – מה שהופך אותן לאידיאליות לשימוש מהיר ואינטנסיבי ביישומים בעולם האמיתי. עם קיבולת מרשימה ותוחלת חיים ממושכת, לא רק טכנולוגיית סוללות מתקדמת, אלא גם שילבנו בהצלחה את העיצוב שלנו עם פאנלים סולאריים, המציגים אחסון יעיל ויציב של אנרגיה מתחדשת".
סוללת המים של הצוות סוגרת את הפער עם טכנולוגיית הליתיום-יון מבחינת צפיפות האנרגיה, במטרה לנצל כמה שפחות מקום ליחידת כוח. "יצרנו לאחרונה סוללת מים מגנזיום-יון בעלת צפיפות אנרגיה של 75 וואט-שעה לק"ג (Wh kg-1) – עד 30% מזו של סוללות המכוניות האחרונות של טסלה".
פרופסור טיאני מה (משמאל) וד"ר לינגפנג ז'ו באוניברסיטת RMIT עם סוללת המים של הצוות. קרדיט: Carelle Mulawa-Richards, אוניברסיטת RMIT
מחקר זה פורסם ב Smאll מבנים.
"השלב הבא הוא להגדיל את צפיפות האנרגיה של סוללות המים שלנו על ידי פיתוח ננו-חומרים חדשים כחומרי האלקטרודה."
מא אמר שמגנזיום עשוי להיות החומר המועדף עבור סוללות מים עתידיות.
"לסוללות מים מגנזיום-יון יש פוטנציאל להחליף עופרת-חוּמצָה סוללות בטווח הקצר – כמו שנה עד שלוש שנים – ולהחליף סוללות ליתיום-יון שעלולות להיות בטווח הארוך, בעוד 5 עד 10 שנים מהיום. מגנזיום קל יותר מהמתכות האלטרנטיביות, כולל אבץ וניקל, בעל צפיפות אנרגיה פוטנציאלית גדולה יותר, והוא יאפשר לסוללות עם זמני טעינה מהירים יותר ויכולת טובה יותר לתמוך במכשירים ויישומים זוללי חשמל".
בקשות פוטנציאליות
מא אמר שהסוללות של הצוות מתאימות היטב ליישומים בקנה מידה גדול, מה שהופך אותן לאידיאליות לאחסון רשת ושילוב אנרגיה מתחדשת – במיוחד במונחים של שיקולי בטיחות.
"ככל שהטכנולוגיה שלנו מתקדמת, סוגים אחרים של יישומי אחסון אנרגיה בקנה מידה קטן יותר כמו הפעלת בתים של אנשים ומכשירי בידור יכולים להפוך למציאות."
טכנולוגיה הנתמכת על ידי מחקר שנערך בביקורת עמיתים, מימון ממשלתי ומעורבות בתעשייה
כחלק מפרויקט ARC Linkage, הצוות של Ma מפתח ללא הרף את סוללות המים שלהם בשיתוף פעולה עם השותף בתעשייה, GrapheneX, חדשן טכנולוגי שבסיסו בסידני.
"אנחנו גם משתפים פעולה באופן הדוק עם חוקרים ומומחים מאוניברסיטאות ומוסדות מחקר ידועים באוסטרליה, ארה"ב, בריטניה, יפן, סינגפור, סין ובמקומות אחרים. שיתופי פעולה אלה מקלים על חילופי ידע וגישה למתקנים מתקדמים. על ידי שימוש במומחיות של צוות גלובלי זה בתחומים שונים, אנו יכולים להתמודד עם האתגרים המורכבים הכרוכים בכך מזוויות שונות."
