עתיד טכנולוגיית הסוללות: אנודות סיליקון, גרפן, סוללות אלומיניום-חמצן ועוד.

הערת העורך: טכנולוגיה חשמלית היא עתיד כדור הארץ הירוק, וטכנולוגיית סוללות היא הבסיס לטכנולוגיה החשמלית והמפתח להגבלת הפיתוח בקנה מידה גדול של טכנולוגיה חשמלית. טכנולוגיית הסוללות המרכזית הנוכחית היא סוללות ליתיום-יון, בעלות צפיפות אנרגיה טובה ויעילות גבוהה. עם זאת, ליתיום הוא יסוד נדיר בעל עלות גבוהה ומשאבים מוגבלים. יחד עם זאת, ככל שהשימוש במקורות אנרגיה מתחדשים גדל, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון אינה מספיקה עוד. כיצד להגיב? מאיאנק ג'יין ערך סקירה של כמה טכנולוגיות סוללות שעשויות לשמש בעתיד. המאמר המקורי פורסם ב-medium תחת הכותרת: עתיד טכנולוגיית הסוללות

כדור הארץ מלא באנרגיה, ואנחנו עושים כל שביכולתנו כדי ללכוד ולנצל אותה היטב. למרות שעשינו עבודה טובה יותר במעבר לאנרגיה מתחדשת, לא עשינו התקדמות רבה באגירת אנרגיה.
כיום, הסטנדרט הגבוה ביותר של טכנולוגיית סוללות הוא סוללות ליתיום-יון. נראה כי לסוללה זו צפיפות האנרגיה הטובה ביותר, יעילות גבוהה (כ-99%), וחיי חיים ארוכים.
אז מה לא בסדר? ככל שהאנרגיה המתחדשת שאנו לוכדים ממשיכה לגדול, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון כבר אינה מספקת.
מכיוון שאנחנו יכולים להמשיך לייצר סוללות בקבוצות, זה לא נראה עניין גדול, אבל הבעיה היא שליתיום היא מתכת נדירה יחסית, כך שעלותה אינה נמוכה. למרות שעלויות ייצור הסוללות יורדות, הצורך באחסון אנרגיה גם הוא עולה במהירות.
הגענו לנקודה שבה ברגע שסוללת ליתיום-יון תיוצר, תהיה לה השפעה עצומה על תעשיית האנרגיה.
צפיפות האנרגיה הגבוהה יותר של דלקים מאובנים היא עובדה, וזהו גורם משפיע עצום שמעכב את המעבר לתלות מוחלטת באנרגיה מתחדשת. אנו זקוקים לסוללות שפולטות יותר אנרגיה ממשקלנו.
כיצד פועלות סוללות ליתיום-יון
מנגנון הפעולה של סוללות ליתיום דומה לסוללות כימיות רגילות של AA או AAA. יש להן הדקי אנודה וקתודה, ואלקטרוליט ביניהם. בניגוד לסוללות רגילות, תגובת הפריקה בסוללת ליתיום-יון היא הפיכה, כך שניתן לטעון את הסוללה שוב ושוב.

הקתודה (הדק +) עשויה מליתיום ברזל פוספט, האנודה (הדק-) עשויה מגרפיט, וגרפיט עשוי מפחמן. חשמל הוא בסך הכל זרימת אלקטרונים. סוללות אלו מייצרות חשמל על ידי העברת יוני ליתיום בין האנודה לקתודה.
כאשר היונים טעונים, הם נעים לאנודה, וכאשר הם מתפרקים, היונים רצים לקתודה.
תנועה זו של יונים גורמת לתנועת אלקטרונים במעגל, ולכן תנועת יוני ליתיום ותנועת אלקטרונים קשורות זו בזו.
סוללת אנודת סיליקון
חברות רכב גדולות רבות כמו BMW משקיעות בפיתוח סוללות אנודת סיליקון. כמו סוללות ליתיום-יון רגילות, סוללות אלו משתמשות באנודות ליתיום, אך במקום אנודות מבוססות פחמן, הן משתמשות בסיליקון.
כאנודה, סיליקון עדיף על גרפיט מכיוון שהוא דורש 4 אטומי פחמן כדי להכיל ליתיום, ואטום סיליקון אחד יכול להכיל 4 יוני ליתיום. זהו שדרוג משמעותי... מה שהופך את הסיליקון לחזק פי 3 מגרפיט.

אף על פי כן, השימוש בליתיום הוא עדיין חרב פיפיות. חומר זה עדיין יקר, אך גם קל יותר להעביר את מתקני הייצור לתאי סיליקון. אם הסוללות יהיו שונות לחלוטין, יהיה צורך לעצב מחדש את המפעל לחלוטין, מה שיגרום להפחתה קלה באטרקטיביות של המעבר.
אנודות סיליקון מיוצרות על ידי טיפול בחול לייצור סיליקון טהור, אך הבעיה הגדולה ביותר שעומדת בפני חוקרים כיום היא שאנודות סיליקון מתנפחות בעת השימוש. זה יכול לגרום לסוללה להתכלות מהר מדי. קשה גם לייצר אנודות בהמוניהן.

סוללת גרפן
גרפן הוא סוג של פתיתי פחמן המשתמשים באותו חומר כמו עיפרון, אך חיבור גרפיט לפתיתים דורש זמן רב. גרפן זוכה לשבחים על ביצועיו המצוינים במקרי שימוש רבים, וסוללות הן אחת מהן.

ישנן חברות שעובדות על סוללות גרפן שניתן לטעון במלואן תוך דקות ולפרוק אותן פי 33 מהר יותר מסוללות ליתיום-יון. זהו ערך רב עבור כלי רכב חשמליים.
סוללת קצף
כיום, סוללות מסורתיות הן דו-ממדיות. הן מוערמות כמו סוללת ליתיום או מגולגלות כמו סוללת AA או ליתיום-יון טיפוסית.
סוללת הקצף היא קונספט חדש הכולל תנועה של מטען חשמלי במרחב תלת-ממדי.
מבנה תלת-ממדי זה יכול להאיץ את זמן הטעינה ולהגדיל את צפיפות האנרגיה, אלו הן תכונות חשובות ביותר של הסוללה. בהשוואה לרוב הסוללות האחרות, לסוללות קצף אין אלקטרוליטים נוזליים מזיקים.
סוללות קצף משתמשות באלקטרוליטים מוצקים במקום באלקטרוליטים נוזליים. אלקטרוליט זה לא רק מוליך יוני ליתיום, אלא גם מבודד מכשירים אלקטרוניים אחרים.

האנודה המחזיקה את המטען השלילי של הסוללה עשויה נחושת מוקצפת ומצופה בחומר הפעיל הנדרש.
לאחר מכן מוחל אלקטרוליט מוצק סביב האנודה.
לבסוף, משתמשים במה שנקרא "משחה חיובית" כדי למלא את הפערים בתוך הסוללה.
סוללת תחמוצת אלומיניום

לסוללות אלו יש אחת מצפיפויות האנרגיה הגדולות ביותר מבין כל הסוללות. האנרגיה שלהן חזקה וקלה יותר מסוללות ליתיום-יון קיימות. יש הטוענים שסוללות אלו יכולות לספק 2,000 קילומטרים של כלי רכב חשמליים. מהו מושג זה? לשם השוואה, טווח השיוט המרבי של טסלה הוא כ-600 קילומטרים.
הבעיה עם סוללות אלו היא שלא ניתן לטעון אותן. הן מייצרות אלומיניום הידרוקסיד ומשחררות אנרגיה באמצעות תגובה של אלומיניום וחמצן באלקטרוליט על בסיס מים. השימוש בסוללות צורך אלומיניום כאנודה.
סוללת נתרן
כיום, מדענים יפנים עובדים על ייצור סוללות המשתמשות בנתרן במקום ליתיום.
זה יהיה משבש, שכן סוללות נתרן יעילות תיאורטית פי 7 מסוללות ליתיום. יתרון עצום נוסף הוא שנתרן הוא היסוד השישי העשיר ביותר בעתודות כדור הארץ, בהשוואה לליתיום, שהוא יסוד נדיר.