מצברי ליתיום-יון: כך נצא מהפקק

טעינה מהירה נחשבת כיום תנאי הכרחי להצלחה כלכלית נרחבת של כלי רכב חשמליים. מצברי הליתיום-יון הקיימים מאופיינים בצפיפות אנרגיה גבוהה המאפשרות טווח נסיעה מספק, אולם עד כה לא נפתרה בעיית מהירות הטעינה. תהליך טעינה יעיל שלא פוגע באיכות הסוללה עלול לארוך כיום עד 8 שעות – הרבה יותר מהדקות הספורות הנדרשות לתדלוק של מכונית רגילה בתחנת דלק.

המפתח לפריצת הדרך במהירות הטעינה טמון בשילוב בין התכונות של חומרי האנודה (האלקטרודה השלילית), הקתודה (האלקטרודה החיובית) והאלקטרוליט (נוזל הסוללה המוליך את יוני הליתיום היוצרים את הזרם). מתווה לפריצת דרך כזאת הוצג לאחרונה בסקירה בכתב העת היוקרתי Advanced Energy Materials. מאמר הסקירה בוחן את היתרונות ואת החסרונות של חומרי הסוללה הטיפוסיים ומציג המלצות ספציפיות לשיפור מהירות הטעינה.

את הסקירה, המציגה  בפירוט את העקרונות הפיזיקליים והכימיים של שילובי חומרים שונים בסוללות ליתיום-יון, כתבה קבוצת חוקרים ישראלית-גרמנית שחבריה הם מומחים מובילים בפיתוח חומרים לסוללות ולהתקני כוח. המחברים המובילים הם פרופ' יאיר עין-אלי והמשתלמת לדוקטורט רונית נטאשה לוי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ותוכנית האנרגיה ע"ש גרנד (GTEP) בטכניון, ופרופ' יורגן יאנק ודוקטור מנואל ווייס מהמכון לכימיה פיזיקלית באוניברסיטת גיסן, גרמניה.

החוקרים מצביעים על ההובלה (דיפוזיה) ועל השינוע (מיגרציה) של יוני הליתיום בתוך האלקטרודות המוצקות כתהליכים מכריעים, המגבילים כיום את מהירות הטעינה. הם מסבירים כי הדיפוזיה והשינוע של יוני הליתיום בתוך החומרים הפעילים באלקטרודות מאיטים את תהליך הטעינה, זאת משום שיוני הליתיום נדרשים לעבור מהאלקטרודה החיובית שהינה בגדר "מוצק נקבובי" (בעלת הרכב כימי של תחמוצת מתכתית) אל תוך תווך האלקטרוליט הנוזלי ובה בעת, יוני ליתיום בכמות אקוויולנטית (שוות מטען) מועברים מהתווך הנוזלי אל האנודה המארחת אותם. תהליך זה עלול להגביר את התנגדות התא ולגרור אחריו השקעת אנרגיה נוספת (ממקור האנרגיה-המטען החשמלי בעמדת הטעינה) כדי לדחוף את התהליך קדימה. שתי התופעות הקינטיות הללו לא רק מאטות את הטעינה אלא גם עלולות להוביל לפיצוץ ולהתלקחות של הסוללה, משום שהן יוצרות ציפוי מסוכן של ליתיום מתכתי באנודת סוללת הליתיום-יון העשויה מגרפיט.

אלה קבוצות המחקר שלקחו חלק בעבודת הסקירה: מישראל – פרופ' יאיר עין-אלי [הטכניון] ופרופ' דורון אורבך [אוניברסיטת בר אילן]; מגרמניה – פרופ' יורגן יאנק [אוניברסיטת גיסן], פרופ' מרטין ווינטר [אוניברסיטת מונסטר] ופרופ' מרגרט וולפהארט [מרכז המחקר לאנרגיה, אולם]. המחקר נתמך על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, הוועדה לתכנון ולתקצוב (ות"ת) והמועצה להשכלה גבוהה (מל"ג),  מינהלת תחליפי דלקים ותחבורה חכמה במשרד ראש הממשלה (במסגרת מרכז המחקר הישראלי להנעה אלקטרוכימית) ותוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP).

למאמר בכתב העת  Advanced Energy Materials לחצו כאן