אנודה מתכתית נוזלית למחצה בסוללות חדשניות

האנודה החדשנית תוכל לסייע בפיתוחה של סוללת ליתיום בטוחה ובעלת קיבולת אנרגיה גבוהה יותר

חוקרים הצליחו לפתח אנודה המבוססת על המתכת ליתיום בתצורתה הנוזלית-למחצה במה שמיצג פרדיגמה חדשה בתחום של פיתוח סוללות. סוללות ליתיום העשויות מסוג חדש זה של אלקטרודה תוכלנה להיות בעלות קיבולת גבוהה יותר והרבה יותר בטיחותיות מאשר סוללות ליתיום רגילות. החוקרים פרסמו את ממצאי המחקר שלהם בכתב העת המדעי Joule.

סוללות מבוססות ליתיום הן אחד מהסוגים הנפוצים ביותר של סוללות נטענות המשמשות ברכיבי אלקטרוניקה מודרניים, זאת בזכות יכולתם לאצור כמויות גדולות של אנרגיה. באופן רגיל, סוללות אלו מכילות אלקטרוליטים נוזליים דליקים ושתי אלקטרודות – אנודה וקתודה – המופרדות על ידי קרומית. לאחר שהסוללה עוברת הטענות ופריקות חוזרות ונשנות, עשויות להתפתח על גבי שטח הפנים של האלקטרודה משקעים של ליתיום הקרויים בשם דנדריטים. משקעים אלו עלולים לנקב את הקרומית המפרידה בין האלקטרודות ולאפשר להן להגיב ביניהן עד כדי קצר במעגל החשמלי, ובמקרים גרועים יותר אף להוביל לגרימת שריפה. "שילוב של אנודת ליתיום מתכתית בתוך סוללות המבוססות על יוני ליתיום הוא בעל פוטנציאל תיאורטי ליצירת סוללה עם קיבולת גדולה יותר מאשר סוללה עם אנודת גרפיט", מסביר החוקר הראשי. "אולם, הגורם החשוב ביותר שאנו צריכים לדאוג לו הוא שהסוללה שיצרנו תהיה בטוחה".

אחד מהפתרונות המוצעים לבעיה של אלקטרוליטים נוזליים דליקים המשמשים בסוללות כיום הוא להמיר אותם באלקטרוליטים קרמיים מוצקים. אלקטרוליטים אלו הם בעלי מוליכות גבוהה, אינם דליקים ומספיק יציבים כך שלא ייווצרו דנדריטים. אולם, חוקרים מצאו שנקודת המגע שבין האלקטרוליט הקרמי לבין אנודת ליתיום מוצקה אינה מספקת לשם אחסון והספקת כמות האנרגיה הנדרשת לרוב רכיבי האלקטרוניקה. החוקרים הצליחו להתגבר על מכשלה זו על ידי יצירת משפחה חדשה של חומרים שיכולים לשמש כאנודה מתכתית נוזלית למחצה – הם הצליחו לפתח מצע מרוכב מוליך כפול-שכבות של פולימר/פחמן המכיל מיקרו-חלקיקים של ליתיום המפוזרים באופן אחיד לאורכו ולרוחבו של המצע. בטמפרטורת החדר, המצע יכול לזרום כמו נוזל ובכך הוא מאפשר מגע מספק עם האלקטרוליט המוצק.

באמצעות שילוב אנודת המתכת הנוזלית למחצה עם אלקטרוליט קרמי מוצק המבוסס על המינרל גְּרָנָט (garnet), החוקרים הצליחו להשיג צפיפות זרם הגבוהה פי עשרה מתאים עם אלקטרוליט מוצק ביחד עם אנודת ליתיום רגילה. לתא זה היה מחזור חיים הרבה יותר ארוך מאשר לתאים רגילים. "תהליך חדשני זה מוביל לקבלת אנודת סוללה המבוססת על המתכת ליתיום היכולה לזרום ובעלת רמות בטיחות וביצועים טובים במיוחד בהשוואה למתכת ליתיום רגילה. היישום של חומר חדש מעין זה יוכל להוביל לשינוי רעיוני בסוללות נטענות המבוססות על ליתיום, ואנו עומלים קשות על מנת לראות כיצד מערכת זו תפעל במגוון עיצובים של סוללות," מסביר החוקר הראשי.
החוקרים מאמינים שהשיטה החדשנית שלהם תוכל להשפיע באופן משמעותי. למשל, המערכת תוכל לשמש לשם יצירה של סוללות עם קיבולת גבוהה עבור רכבים חשמליים וסוללות מיוחדות לשימוש בהתקנים לבישים המחייבים סוללות גמישות. החוקרים גם סבורים שהשיטות שלהם תוכלנה לשמש גם מעבר למתכת ליתיום במסגרת מערכות אחרות של סוללות נטענות, לרבות סוללות המבוססות על המתכות נתרן ואשלגן, כאלו שתוכלנה לשמש לשם אחסון חשמל במערכות של רשת החשמל הארצית.

למאמר המדעי