New-Tech Magazine | April 2020

המרדף להצלחה: סוללות מתכת ליתיום מוצקות

כפי שראינו עד כה, לא מספיק להחליף את תמיסת האלקטרוליט באלקטרוליט מוצק כדי לשפר את צפיפות האנרגיה של הסוללה. למעשה, ההפך הוא הנכון. אלקטרוליט אי־ אורגני מוצק בצורת אבקה יתפוס יותר מקום ויהיה כבד יותר מתמיסת האלקטרוליט שמשמשת כיום בסוללות ליתיום־יון. לפיכך, כל עוד האלקטרודות עשויות מאותם חומרים, מעבר לשימוש באלקטרוליט מוצק יקטין את צפיפות האנרגיה של התא החשמלי. קפיצת המדרגה טמונה בכך שאלקטרוליטים מוצקים מסוימים מאפשרים נדידת יונים טובה יותר מזאת של תמיסת אלקטרוליט. פירושו של דבר שהאלקטרוליט נשאר יציב גם במתח גבוה מאוד (בניגוד לתמיסת אלקטרוליט), כך שאפשר להשתמש בקתודה מחומרים שיאפשרו לסוללה וולט שמספקות 3.8 עד 3.6־ לספק מתח גבוה מ סוללות הליתיום־יון שיש לנו היום. מתח חשמלי גבוה יותר מגדיל את כמות האנרגיה שמספק תא הליתיום־יון בקיבולת נתונה. לדוגמה: פוטנציאל המתח של אלקטרודה ) LMNO (בראשי תיבות LiMn 1.5 Ni 0.5 O 2 העשויה מ־ וולט, אבל אי אפשר להשתמש בה 4.7 הוא ביחד עם תמיסת אלקטרוליט משום שתמיסת האלקטרוליט מגיבה עם האלקטרודה במתח גבוה כזה. לעומת זאת, אלקטרוליט מוצק כגון תחמוצת ליתיום־לנתן־זירקוניום (בראשי תיבות ) נשאר יציב (לא מגיב כימית) עד למתח LLZO וולט ולכן מתאים לשמש עם קתודות 5 של מתח גבוה. השילוב הזה יכול לאפשר לסוללות ליתיום־יון מוצקות לפרוץ את מחסום צפיפות ואט־שעה לליטר. 800 האנרגיה של הצעד הבא לעבר השגת צפיפות האנרגיה ואט־שעה לליטר, ואף 1,000 המיוחלת של לעבור אותה, הוא פיתוח סוללות מתכת ליתיום ) שבהן האנודה LMB מוצקות (בראשי תיבות: עשויה מליתיום בצורתו המתכתית. לאנודה ממתכת ליתיום צפיפות האנרגיה הגדולה ביותר והיא גם מאפשרת להגיע להספק התא הגדול ביותר. עד כה, השימוש במתכת ליתיום לא היה יעיל בגלל שטעינת הסוללה הובילה להיווצרות דנטריטים, שהם מבנים דמוי מחטים או זרועות, על האנודה. הדנטריטים גורמים לקצר פנימי בסוללה, שמוביל להתחממות ולבסוף לפיצוץ. היה זה ד"ר אקירה יושינו, אחד מזוכי פרס נובל , שבחר להשתמש בגרפיט 2019 לכימיה לשנת כפתרון לשיפור בטיחותה של הסוללה ופתרון זה אפשר את תחילת הייצור המסחרי של סוללות

תיאור: תרשים מבנה של סוללות ליתיום־יון מוצקות עם אנודה מגרפיט־סיליקון, :3 איור « וסוללת מתכת ליתיום מוצקה עם אנודה משכבה דקה של ליתיום בצורתו המתכתית (תודה לזובין צ'ן, פיליפ וריקן, פאני בארדה על התרשים).

עבר להתמקד המחקר של סוללות מוצקות בהרכבת התאים החשמליים וכל הרכיבים הנלווים לכדי סוללה מתפקדת. אחת מהבעיות היא שהחומרים מגיבים כימית ויוצרים שכבות פסיבציה בין הרכיבים הפעילים של התא, שפוגעות בתפקודו החשמלי. הפתרון הוא פיתוחו של ציפוי דק מיוחד (ציפוי יציב Artificial interphase מלאכותי. באנגלית: ), למניעת התגובות הללו. coating עוסקים בפיתוח EnergyVille צוותי המחקר ב־ שיטות גמלון לא יקרות, להחדרת הציפויים היציבים הדקים והמיקרוסקופיים האלה אל בין שכבות החומר של אנודת הסוללה העבה. לציפויים הננומטריים האלה יהיה תפקיד מרכזי לא רק בפיתוח סוללות מתכת ליתיום מוצקות, אלא גם בהארכת חייהן של סוללות ליתיום־יון רטובות. למעשה, את רוב הידע שנצבר במחקר ובפיתוח של אלקטרוליט מוצק אפשר ליישם גם בסוללות ליתיום־יון רטובות. ומי יודע? אולי בסופו של דבר יתברר שהפתרון הטוב ביותר הוא גישה המשלבת בין טכנולוגיית סוללה מוצקה לטכנולוגיית סוללה רטובה...

ליתיום־יון רטובות (מכילות תמיסת אלקטרוליט) .20־ של המאה ה 90־ בתחילת שנות ה החדרת יוני ליתיום בין שכבות הגרפיט היא פשרה שנעשתה במטרה לשפר את בטיחות הסוללות במחיר של אבדן צפיפות אנרגיה והספק. חלק מהאלקטרוליטים המוצקים לא מגיבים עם ליתיום מתכתי ופותחים אפשרות להשתמש בשכבת מתכת ליתיום דקה כאנודה. למעשה, סוללות מתכת ליתיום עם אלקטרוליט פולימר מוצק כבר משמשות בשוק, אולם ולכן לא 70 o C הן פועלות בטמפרטורה של מתאימות לשימוש ברכב חשמלי משפחתי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוליטים הפולימריים המוצקים האלה יש מוליכות יוני ליתיום נמוכה. בניסיון להתגבר על הבעיה הזאת, במשך שנים התמקד המחקר של סוללות מוצקות במציאת אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונים גבוהה. בשנים האחרונות התגלו מספר מועמדים מבטיחים שלהם מוליכות יוני ליתיום שווה או טובה יותר מזאת של תמיסות אלקטרוליט המשמשות בסוללות הליתיום־יון שיש לנו – תחמוצת אי־ LLZO היום. מועמד נוסף הוא אורגנית במבנה המזכיר מינרל – שלמרות מוליכות יוני ליתיום נמוכה מעט מזאת של תמיסת אלקטרוליט, מעוררת עניין בזכות הפרש הפוטנציאלים הגדול שבו היא נשארת יציבה. מנגד, החיסרון של האלקטרוליטים האי־אורגנים האלה הוא רגישות גדולה ללחות שהופכת את תהליך הייצור למורכב ויקר. פיתחה אלקטרוליט מפולימר ננו־מרוכב, imec המיוצר מתמיסה והופך למוצק עם כניסתו לתא החשמלי. התכונה הזאת מאפשרת להשתמש בחומר החדש בתהליכי הייצור הקיימים של סוללות ליתיום־יון ולכן סוללות כאלו צפויות להיות זולות יותר לייצור. עכשיו כשיש בידינו כמה אפשרויות מבטיחות,

תיאור: ד"ר אקירה יושינו – זוכה :4 איור « : ויקיפדיה. מקור .)2019( פרס נובל לכימיה

New-Tech Magazine l 50