מדענים פיתחו גישה חדשנית לשיפור סוללות ליתיום במצב מוצק. שיטה חדשה זו כוללת שימוש בחומר ייחודי המבטל את הצורך בתוספים נוספים, ומשפר גם את צפיפות האנרגיה של הסוללה וגם את תוחלת החיים שלה. החומר החדש מציג ביצועים מרשימים, המאפשר לסוללות לפעול במשך למעלה מ-20,000 מחזורים ביעילות אנרגטית גבוהה.
אסטרטגיה חדשה עבור סוללות ליתיום במצב מוצק משפרת את צפיפות האנרגיה ומאריכה את תוחלת החיים על ידי שימוש בחומר מיוחד שמסיר את הצורך בתוספים נוספים. התקדמות זו מבטיחה למעלה מ-20,000 מחזורים של פעולה יעילה, המסמנת צעד משמעותי קדימה בטכנולוגיית הסוללה.
אסטרטגיית הומוגניזציה חדשנית של קתודה עבור סוללות ליתיום במצב מוצק (ASLBs) הוצגה על ידי חוקרים במכון צ'ינגדאו לטכנולוגיית ביו-אנרגיה וביו-תהליכים (QIBEBT) של האקדמיה הסינית למדעים, יחד עם משתפי פעולה ממוסדות בינלאומיים מובילים.
גישה חדשה זו, המפורטת במאמרם שפורסם היום (31 ביולי) ב אנרגיית הטבעמשפר באופן משמעותי את חיי המחזור וצפיפות האנרגיה של ASLBs, המייצג התקדמות חשובה בטכנולוגיית אחסון אנרגיה.
אתגרים ב-ASLBs נוכחיים
ASLBs נוכחיים מתמודדים עם אתגרים עקב קתודות מרוכבות הטרוגניות, הדורשות תוספים לא פעילים מבחינה אלקטרוכימית כדי לשפר את ההולכה. תוספים אלו, על אף שהם נחוצים, מפחיתים את צפיפות האנרגיה ואת חיי המחזור של הסוללות בשל חוסר ההתאמה שלהם לקתודות התחמוצת השכבות, אשר עוברות שינויים מהותיים בנפח במהלך הפעולה.
חוקרים פיתחו פתרון: אסטרטגיית הומוגניזציה של קתודה תוך שימוש בחומר בעל מתח אפס, Li1.75טי2(Ge0.25פ0.75ס3.8Se0.2)3 (LTG0.25PSSe0.2). חומר זה מציג מוליכות יונית ואלקטרונית מעורבת מעולה, המבטיח הובלת מטען יעילה לאורך כל תהליך הפריקה ללא צורך בתוספים מוליכים נוספים.
ה-LTG0.25PSSe0.2 החומר מציג מדדי ביצועים מרשימים, כולל קיבולת ספציפית של 250 mAh g–1 ושינוי נפח מינימלי של 1.2% בלבד. קתודה הומוגנית העשויה כולה מ-LTG0.25PSSe0.2 מאפשר ל-ASLB בטמפרטורת החדר להשיג למעלה מ-20,000 מחזורים של פעולה יציבה וצפיפות אנרגיה גבוהה של 390 וואט ק"ג–1 ברמת התא.
המחשה סכמטית של התפתחות מיקרו-מבנה הקתודה במהלך הטעינה. (א) קתודה מרוכבת הטרוגנית קונבנציונלית ו-(ב) הקתודה ההומוגנית המוצעת עם הולכה מעורבת יעילה. קרדיט: QIBEBT
תובנות מומחים על הגישה החדשה
"אסטרטגיית ההומוגניזציה של הקתודה שלנו מאתגרת את תכנון הקתודה ההטרוגני הקונבנציונלי", אמר ד"ר לונגפיי קוי, מחבר ראשון במחקר ממרכז הטכנולוגיה של מערכת אנרגיה מוצקה (SERGY) ב-QIBEBT. "על ידי ביטול הצורך בתוספים לא פעילים, אנו משפרים את צפיפות האנרגיה ומאריכים את חיי המחזור של הסוללה."
"גישה זו היא משנה משחק עבור ASLBs," ציין ד"ר שו ג'אנג, מחברו הראשון של המחקר מ-SERGY. "השילוב של צפיפות אנרגיה גבוהה וחיי מחזור ארוכים פותחים אפשרויות חדשות לעתיד של אגירת אנרגיה."
פרופ' Jiangwei Ju, מחבר שותף למחקר מבית SERGY, הוסיף, "מדדי היציבות והביצועים של החומר מרשימים, מה שהופך אותו למועמד חזק ליישומים מסחריים בכלי רכב חשמליים ומערכות אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול".
התקדמות זו נתמכת על ידי בדיקות מקיפות וחישובים תיאורטיים. ניתוחים אלה מאשרים את היציבות האלקטרוכימית והמכאנית של הקתודות ההומוגניות, ללא תגובות כימיות שליליות או עלייה משמעותית בהתנגדות לאחר רכיבה על אופניים ממושכת.
השלכות רחבות יותר על אחסון אנרגיה
מעבר ל-ASLB, סוגי סוללות אחרים, כולל סוללות נתרן במצב מוצק, סוללות ליתיום-יון, סוללות ליתיום-גופרית, סוללות נתרן-יון ותאי דלק, מתמודדות גם הן עם אתגרים עם אלקטרודות הטרוגניות. מערכות אלו סובלות לעיתים קרובות מאי התאמה מכנוכימית ואלקטרוכימית, מה שיוצר צווארי בקבוק משמעותיים ופוגע בביצועי הסוללה הכוללים.
"פוטנציאל המסחור של ASLBs בצפיפות אנרגיה גבוהה יותר בר השגה", הוסיף פרופ' גואנגליי קוי, ראש SERGY. "האסטרטגיה האוניברסלית שלנו לתכנון קתודות הומוגניות רב תכליתיות יכולה להתגבר על מחסומי האנרגיה, הכוח ותוחלת החיים באחסון אנרגיה, ולסלול את הדרך ליישומים בעולם האמיתי."
אבן דרך משמעותית בטכנולוגיית הסוללה
על ידי התמודדות עם אתגרים מרכזיים ב-ASLBs, אסטרטגיה זו מציבה בסיס לחידושים עתידיים בטכנולוגיית אחסון אנרגיה. הצוות מתכנן להמשיך ולחקור את יכולת ההרחבה של ה-LTG0.25PSSe0.2 החומר והשילוב שלו במערכות סוללות מעשיות.
עבודה זו מייצגת אבן דרך משמעותית בטכנולוגיית הסוללה ומציעה תחזית מבטיחה להתקדמות עתידית. הגישה החדשנית של הצוות צפויה להשפיע על מחקר ופיתוח עתידיים בתחום אגירת האנרגיה, ולהוות בסיס חזק לדור הבא של סוללות בעלות ביצועים גבוהים.
