חוקרים בטכניון ובמכון יוליך (גרמניה) פיתחו סוללת טיטניום-אוויר חדשנית, ואימתו את יעילותה באופן ניסויי. פיתוחה של הסוללה החדשה התאפשר הודות לשיתוף פעולה בין ד"ר יאסין אמרי דורמוס, ממכון יוליך למחקרי אנרגיה ואקלים (מס' 9) בראשות פרופ' רודיגר אייכל ופרופ' יאיר עין-אלי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון. מאמרם של חוקרי הטכניון ויוליך פורסם בכתב העת Chemical Engineering Journal, וזה הפרסום הראשון של ממצאים ניסויים לגבי סוללה מסוג זה, שבה הטיטניום משמש כחומר פעיל.

סוללות הן התקנים הממירים אנרגיה כימית לחשמלית באמצעות אלקטרוליט (החומר המוליך יונים) ושתי אלקטרודות הטבולות בתוכו. אחת האלקטרודות (זו שהמתח בה נמוך מאוד) מוסרת אלקטרונים במעגל החיצוני (המפעיל את המכשור האלקטרוני), והאלקטרודה השנייה מקבלת את האלקטרונים. התהליך האלקטרוכימי מתרחש בתוך המדיום האלקרוליטי המכיל יונים, וכך נוצר הזרם החשמלי הכולל הדרוש להפעלת המיכשור האלקטרוני ולפריקת התא (הסוללה).

סוללת מתכת-אוויר הן משפחה של סוללות שבהן אחת האלקטרודות עשויה ממתכת פעילה (בעלת מתח נמוך מאוד), והאלקטרודה האחרת היא ממברנה דקיקה, המאפשרת כניסה ותגובה של אוויר, וליתר דיוק חמצן. מאחר שהחמצן מגיע מהאוויר שסביב אין צורך לאגור אותו, ובכך למעשה נחסכים מקום (נפח) ומשקל יקרים בתוך הסוללה. לפיכך, תכולת האנרגיה של סוללה מסוג זה אמורה להיות באופן תיאורטי גבוהה יותר בהשוואה לסוללות אחרות. סוללות מתכת-אוויר מתאימות במיוחד ליישומים המצריכים מזעור כמו גם למערכות אגירה גדולות שבהן נדרשים חומרים זולים, זמינים ולא רעילים.

אם כן, מהי המתכת האופטימלית לסוללות מתכת-אוויר? עד היום נחקרו בעיקר ליתיום, אבץ, ברזל, אלומיניום וסיליקון. סוללות אבץ-אוויר, לדוגמה, כבר משמשות בהתקני בקרה, בחיישנים ובמכשירי שמיעה. עם זאת, סוללות אלה מאופיינות בצפיפות אנרגיה נמוכה יחסית לצרכים הגדלים של שוק האנרגיה, ולפיכך הן מספקות אנרגיה לזמן קצר יחסית.

סוללות טיטניום-אוויר, שיעילותן הודגמה במחקר הנוכחי, מאופיינות בצפיפות אנרגיה הגבוהה פי שניים ויותר מזו של סוללות אבץ-אוויר, ולכן הן צפויות לספק תכולת אנרגיה למשך זמן כפול ויותר. יש לציין שטיטניום הוא יסוד כימי נפוץ – הוא מדורג במקום התשיעי ברשימת החומרים הנפוצים בקרום כדור הארץ.  טיטניום ידועה כמתכת חסינה, יציבה ועמידה ביותר, שאינה מגיבה כלל עם הסביבה ואפילו לא עם מגיבים אגרסיביים ביותר, וזאת בשל העובדה שטיטניום מכוסה בשכבת הגנה תחמוצתית יעילה ועמידה מאוד.

חוקרי הטכניון ויוליך הצליחו להסיר את שכבת ההגנה החזקה של הטיטניום בלבד, תוך שימוש באלקטרוליט ייחודי בסוללה שפיתחו. האלקטרוליט האמור הוא סוג של נוזל יוני בעל מאפיינים ייחודיים – נוזל העשוי ממלחים ומתאים לשימוש בסוללות בשל תכונותיו החשמליות והכימיות. כך הצליחו החוקרים לרתום את הפוטנציאל הכימי של מתכת הטיטניום החשופה לצורכי המרה לאנרגיה חשמלית. בניסוייהם הם הדגימו כאמור תכולת אנרגיה חשמלית הגבוהה במאות אחוזים מזו של סוללות אבץ-אוויר.

המחקר נתמך על ידי המשרד הפדרלי של גרמניה לחינוך ומחקר, וחוקרי הטכניון נתמכו על ידי תוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) ועל ידי מרכז המחקר לאגירה והנעה אלקטרוכימית (INREP).

פרופ' עין-אלי שהה במכון יוליך במסגרת שנת שבתון, כחלק מהסכם המסגרת בין שני המוסדות ואוניברסיטת אאכן. הסכם המסגרת (Umbrella) בין המוסדות חוגג השנה 40 להיווסדו, והסימפוזיון הקרוב במסגרתו ייערך בחיפה בין 30 במאי ל-1 ביוני 2023.

למאמר המדעי ב-   Chemical Engineering Journal

הפוסט חשמל מן האוויר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פרופ' עמנואל פלד מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל אביב, הוכרז כזוכה במדליית ההצטיינות של האגודה הבינלאומית לסוללות (International Battery Association). המדלייה מוענקת החל משנת 2016 על תרומה מדעית יוצאת דופן וארוכת טווח למחקר המדעי ולפיתוח טכנולוגיות בתחום ההמרה והאחסון של אנרגיה אלקטרוכימית. פרופ' פלד הוא החוקר השביעי שזוכה במדליה זו. שלושת הראשונים שזכו בה הם חתני פרס נובל לכימיה, סטנלי ויטינגהם, ג'ון גודאינף ואקירה יושהינו. הפרס יוענק לפרופ' פלד במושב מיוחד שייערך לכבודו במסגרת הכינוס השנתי של IBA שייערך בסלובניה, בחודש אוקטובר 2022.

פרופ' פלד, אלקטרוכימאי ומומחה עולמי לתאי דלק ומצברים, ידוע בתור הממציא והמפתח של מודל פאזת האלקטרוליט המוצק (SEI), שנועד להסביר את מנגנון הפעולה של סוללת ליתיום. מודל זה שבר את הפרדיגמה שהייתה נהוגה לגבי הבנת אופן הפעולה של סוללות אלה, ואיפשר את פיתוחן של סוללות בטוחות, יציבות, בעלות הספק גבוה ועלות נמוכה.

כמו כן, פרופ' פלד הוביל את פיתוחן של מספר מערכות אלקטרוכימיות, בהן סוללת ליתיום-גופרית, ממברנות מוליכות-פרוטון ננו-נקבוביות, תא דלק מבוסס מתנול, תא דלק רגנרטיבי מבוסס מימן תלת-ברומי, וכן זרזים לתאי דלק המבוססים על ננו-חלקיקי פלטינה. קבוצתו פיתחה תאי דלק ייחודיים שרשמו שיאים עולמיים בתפוקת חשמל. רבים ממחקריו בוצעו בשיתוף פעולה עם פרופ' דיאנה גולודניצקי, אף היא מביה"ס לכימיה. הישג זה, מלבד הכבוד האישי לפרופ' פלד, מוקיר את עשייתן של מדינת ישראל ואוניברסיטת תל אביב בחזית מדעי הכימיה והאנרגיה.

הפוסט פרופ' עמנואל פלד מאוני' ת"א זכה במדליית ההצטיינות של האגודה הבינלאומית לסוללות הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חברת CENS מודיעה על גיוס של מיליון וחצי דולר מהמשקיע הבריטי וינסנט צ'נגוויז, אחד המשקיעים הזרים הפעילים ביותר בישראל. החברה קמה לפני כחמש שנים ב INCUBIT, החממה הטכנולוגית של אלביט מערכות, הפועלת בזכיון מרשות החדשנות, ומשקיעה בחברות deep-tech (טכנולוגיה עמוקה) בשלבים מוקדמים.

CENS פיתחה תהליך תעשייתי מבוסס פטנט המגדיל משמעותית את קיבולת האנרגיה של הסוללה ומקצר את זמן הטעינה שלה, שני אלמנטים קריטיים ומשמעותיים לתעשיית הרכב, הרחפנים, וכל מכשיר הפועל על סוללה. הפיתוח של CENS מבוסס על שימוש בחומר שנקרא CNT, צינוריות ננו פחמן, חומר שהתרומה שלו למוליכות ידועה אולם עד היום לא הצליחו לשלב את החומר בסוללות. CENS פיתחה תהליך תעשייתי, המשתלב בתעשייה קיימת ולא מצריך שינויים בתשתיות ומוביל לשיפור דרמטי של עשרות אחוזים בקיבולת האנרגיה שלה, בזמני הטעינה, וכל זאת ללא עלייה במחיר הסוללה בגלל שימוש בכמויות קטנות מאד, פחות מאחוז אחד של צינוריות הפחמן. כמו כן, הטכנולוגיה של CENS מאפשרת ייצור של סוללות ללא קובלט, חומר מזהם ביותר ויקר.

העולם עדיין לא עבר להשתמש במכוניות חשמליות, זהו מרוץ שגורמים רבים משחקים בו. צוואר הבקבוק טמון בקיבולת האנרגיה של הסוללות ובעלות שלהן. זהו יעד אסטרטגי עבור כל השחקנים המשמעותיים בתחום הזה, יצרני סוללות, רכבים וחומרי גלם. יש מספר טכנולוגיות בשימוש אך המובילה בהן והנפוצה ביותר בשימוש היא ליתיום יון. אחד היתרונות הגדולים של CENS הוא בכך שהיא לא משנה את הטכנולוגיה הקיימת. הטכנולוגיה של CENS מבוססת על ליתיום יון, ולכן יצרנים יכולים בקלות רבה להטמיע את הטכנולוגיה שלה. יחד עם זאת, CENS מביאה לפריצת דרך בקיבולת של הסוללה ובמחיר שלה. נעשו בעבר בעיקר באקדמיה נסיונות להחדיר צינוריות ננו פחמן לסוללות אולם אף חברה לא הצליחה להשיג פיזור יעיל ללא שינוי משמעותי במחיר.

מנכ"ל החברה הוא מיכאל ברומפמן, מייסד ומומחה לננו-טכנולוגיה. לדבריו: "ההשקעה תשמש את החברה לעבור משלב הפיתוח לשלב הפרה מסחרי, הקמת מתקן חצי תעשייתי לבנייה של תאי סוללות על מנת לייצר תאי פרימיום בעלי קיבולת אנרגטית גבוהה ולספק אותם לשחקניות המרכזיות בתחום, עימן החברה כבר נמצאת בקשרים עסקיים." עוד הוסיף, כי "הטכנולוגיה הייחודית של CENS נשענת על מחקר עמוק ויש לה פוטנציאל לשבש את השוק ולפתור את צוואר הבקבוק של הרכבים החשמליים והוא ביצועי הסוללה ומחירה."

וינסנט צ'נגוויז מסר: "אנו מאמינים בצורך הקריטי ש-CENS עונה עליו. אם פריצת הדרך שפיתחה החברה תאפשר לרכב חשמלי להכפיל את טווח נסיעה ללא טעינה, לרחפן – הארכת טווח זמן הטיסה, ולמתקני אגירת חשמל סולארי ביצועים טובים יותר, הרי מדובר בפריצת דרך משמעותית שתקדם את העולם לכיוון של צריכת אנרגיה ירוקה יותר."

שוקי יהודה סמנכ"ל טכנולוגיה ראשי באלביט: "הפתרון של CENS מהפכני ונותן מענה לביקושים ההולכים וגוברים לאנרגיה חשמלית יעילה וזולה. אנחנו מאמינים שלפריצת הדרך של CENS יהיו יישומים בשטחים רבים, ביניהם גם בתחום הביטחוני שצמא לפתרונות חדשנים בתחום האנרגיה, למשל בכל הקשור באספקת אנרגיה ללוחם הרשתי."

הפוסט חברת הדיפ-טק CENS MATERIALS השלימה סיבוב השקעה של מיליון וחצי דולר בהובלת המשקיע הבריטי וינסנט צ'נגוויז הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בתחום של אחסון אנרגיה, גורמים שונים עשויים להיות משמעותיים, כדוגמת צפיפות אנרגיה/עוצמה, וזאת בהתאם לנסיבות. סוללות – המסוגלות לאחסן אנרגיה באמצעות הפרדת כימיקלים – עדיפות יותר בהעברת כמויות גדולות של אנרגיה, בעוד שקבלים – המסוגלים לאחסן אנרגיה באמצעות הפרדת מטענים חשמליים – עדיפים יותר בהעברת כמויות גדולות של עוצמה (אנרגיה ליחידת זמן). המערכת הטובה ביותר תהיה, כמובן, השילוב של שני מאפיינים אלו.
המדען Michael Strano ועמיתיו מאוניברסיטת MIT מדווחים על ממצאי מחקריהם בדבר אחסון אנרגיה בננו-שפופרות פחמן דקיקות באמצעות הוספת דלק לאורכה של השפופרת, דלק המהווה אנרגיה כימית שתוכל להיות מומרת לאחר-מכן לחשמל ע"י חימום קצה האחד של השפופרת. תהליך תרמו-אנרגטי זה פועל כדלהלן: החימום יוזם תגובת שרשרת ו"גל" של המרות אנרגיה מתפשט לאורך ננו-השפופרת במהירות של 10 מטרים לשנייה.
"ננו-שפופרות פחמן ממשיכות לחשוף בפנינו עובדות חדשות – הגילוי של גלים תרמו-אנרגטיים פותח צוהר לאפשרויות חדשות בתחום של יצירת אנרגיה והפיסיקה של גלים פעילים," מסביר החוקר הראשי. לסוללת ליתיום רגילה יש צפיפות אנרגיה של 1 kW/kg. למרות שהחוקרים עדיין לא הגיעו לייצור מסחרי של ננו-השפופרות שלהם, הם השיגו כבר עכשיו פעימות פריקת מטען בעלות צפיפות אנרגיה של 7 kW/kg.
בנוסף, החוקרים פרסמו ממצאים חדשים בדבר ניסויים המנצלים ננו-חרירי פחמן בעלי גודל חסר-תקדים – קוטר של 1.7 ננומטרים ובאורך של 500 מיקרונים.
"ננו-חרירי פחמן," מציין החוקר, "מאפשרים לנו לזהות פרודות בודדות ולמנות אותן אחת אחר השנייה," מערכת שהצליחה לעשות זאת לראשונה אי-פעם. וזה מתרחש בטמפרטורת החדר.
הפרודות הבודדות הנבדקות חוצות את ננו-השפופרות אחת אחר השנייה בתהליך המכונה "תהודה עקבית" (coherence resonance). "תופעה זו לא נראתה עד כה עבור מערכת אי-אורגנית כלשהי," מציין החוקר, "אולם היא מהווה חיקוי טוב לתעלות יוניות ביולוגיות פעילות, המוכרות בספרות."

הפוסט אחסון אנרגיה בננו שפופרות פחמן הופיע לראשונה ב-Chiportal.