שלוש טכנולוגיות סוללה שיכולות להניע את העתיד

העולם זקוק ליותר כוח, רצוי בצורה נקייה ומתחדשת.אסטרטגיות אחסון האנרגיה שלנו מעוצבות כיום על ידי סוללות ליתיום-יון - בחזית הטכנולוגיה הזו - אבל למה אנחנו יכולים לצפות בשנים הבאות?

נתחיל עם כמה יסודות הסוללה.סוללה היא חבילה של תא אחד או יותר, שלכל אחד מהם יש אלקטרודה חיובית (הקתודה), אלקטרודה שלילית (האנודה), מפריד ואלקטרוליט.שימוש בכימיקלים וחומרים שונים עבור אלה משפיע על תכונות הסוללה - כמה אנרגיה היא יכולה לאגור ולהפיק, כמה כוח היא יכולה לספק או מספר הפעמים שניתן לפרוק אותה ולהטעין אותה (נקראת גם קיבולת רכיבה).

חברות סוללות מנסות כל הזמן למצוא כימיקלים זולים יותר, צפופים יותר, קלים יותר וחזקים יותר.שוחחנו עם פטריק ברנרד - מנהל מחקר Saft, שהסביר שלוש טכנולוגיות סוללה חדשות בעלות פוטנציאל טרנספורמטיבי.

סוללות ליתיום-יון מהדור החדש

מה זה?

בסוללות ליתיום-יון (לי-יון), אחסון ושחרור אנרגיה מסופקים על ידי תנועה של יוני ליתיום מהאלקטרודה החיובית לשלילית הלוך ושוב דרך האלקטרוליט.בטכנולוגיה זו, האלקטרודה החיובית פועלת כמקור הליתיום הראשוני והאלקטרודה השלילית כמארחת לליתיום.כמה כימיקלים נאספים תחת השם של סוללות ליתיום, כתוצאה של עשרות שנים של בחירה ואופטימיזציה קרוב לשלמות של חומרים פעילים חיוביים ושליליים.תחמוצות מתכת ליטיות או פוספטים הם החומר הנפוץ ביותר המשמש כחומרים חיוביים בהווה.גרפיט, אבל גם תחמוצות גרפיט/סיליקון או טיטניום ליתיום משמשים כחומרים שליליים.

עם חומרים ועיצובי תאים בפועל, טכנולוגיית הלי-יון צפויה להגיע למגבלת אנרגיה בשנים הקרובות.עם זאת, גילויים עדכניים מאוד של משפחות חדשות של חומרים פעילים משבשים אמורים לפתוח את הגבולות הנוכחיים.תרכובות חדשניות אלו יכולות לאגור יותר ליתיום באלקטרודות חיוביות ושליליות ויאפשרו לראשונה לשלב אנרגיה וכוח.בנוסף, עם התרכובות החדשות הללו, נלקחים בחשבון גם המחסור והקריטיות של חומרי הגלם.

מה היתרונות שלו?

כיום, בין כל טכנולוגיות האחסון המתקדמות ביותר, טכנולוגיית סוללת ליתיום יון מאפשרת את הרמה הגבוהה ביותר של צפיפות אנרגיה.ניתן לכוונן ביצועים כגון טעינה מהירה או חלון הפעלה בטמפרטורה (-50°C עד 125°C) על ידי המבחר הגדול של עיצוב התא וכימיה.יתר על כן, סוללות ליתיום יון מציגות יתרונות נוספים כגון פריקה עצמית נמוכה מאוד ואורך חיים ארוך מאוד וביצועי רכיבה על אופניים, בדרך כלל אלפי מחזורי טעינה/פריקה.

מתי נוכל לצפות לזה?

דור חדש של סוללות ליתיום מתקדמות צפוי להיפרס לפני הדור הראשון של סוללות מצב מוצק.הם יהיו אידיאליים לשימוש ביישומים כגון מערכות אחסון אנרגיה עבורמתחדשיםותחבורה (ימי, רכבות,תְעוּפָהוניידות מחוץ לכביש) כאשר אנרגיה גבוהה, הספק גבוה ובטיחות היא חובה.

סוללות ליתיום-גופרית

מה זה?

בסוללות ליתיום, יוני הליתיום מאוחסנים בחומרים פעילים הפועלים כמבנים מארח יציבים במהלך טעינה ופריקה.בסוללות ליתיום גופרית (Li-S), אין מבנים מארח.בזמן הפריקה, אנודת הליתיום נצרך והגופרית הופכת למגוון תרכובות כימיות;במהלך הטעינה מתרחש תהליך הפוך.

מה היתרונות שלו?

סוללת Li-S משתמשת בחומרים פעילים קלים מאוד: גופרית באלקטרודה החיובית וליתיום מתכתי בתור האלקטרודה השלילית.זו הסיבה שצפיפות האנרגיה התיאורטית שלו גבוהה בצורה יוצאת דופן: גדולה פי ארבעה מזו של ליתיום-יון.זה עושה את זה מתאים לתעשיית התעופה והחלל.

Saft בחרה והעדיפה את טכנולוגיית ה-Li-S המבטיחה ביותר המבוססת על אלקטרוליט מוצק.נתיב טכני זה מביא לצפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, חיים ארוכים ומתגבר על החסרונות העיקריים של ה-Li-S המבוסס על נוזלים (חיים מוגבלים, פריקה עצמית גבוהה,...).

יתר על כן, טכנולוגיה זו היא משלימה לליתיום-יון במצב מוצק הודות לצפיפות האנרגיה הגרבימטרית המעולה שלה (+30% על כף המאזניים בWh/kg).

מתי נוכל לצפות לזה?

מחסומים טכנולוגיים גדולים כבר התגברו ורמת הבשלות מתקדמת מהר מאוד לקראת אבות טיפוס בקנה מידה מלא.

עבור יישומים הדורשים חיי סוללה ארוכים, טכנולוגיה זו צפויה להגיע לשוק מיד לאחר ליתיום מוצק.

סוללות במצב מוצק

מה זה?

סוללות מוצק מייצגות שינוי פרדיגמה במונחים של טכנולוגיה.בסוללות ליתיום מודרניות, יונים עוברים מאלקטרודה אחת לאחרת על פני האלקטרוליט הנוזלי (הנקרא גם מוליכות יונית).בסוללות מוצקות, האלקטרוליט הנוזלי מוחלף בתרכובת מוצקה אשר בכל זאת מאפשרת ליוני ליתיום לנדוד בתוכו.הרעיון הזה רחוק מלהיות חדש, אבל במהלך 10 השנים האחרונות - הודות למחקר אינטנסיבי ברחבי העולם - התגלו משפחות חדשות של אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונית גבוהה מאוד, בדומה לאלקטרוליט נוזלי, מה שמאפשר להתגבר על המחסום הטכנולוגי המסוים הזה.

היום,ספטמאמצי המחקר והפיתוח מתמקדים בשני סוגי חומרים עיקריים: פולימרים ותרכובות אנאורגניות, מכוונים לסינרגיה של המאפיינים הפיזיקליים-כימיים כגון יכולת עיבוד, יציבות, מוליכות...

מה היתרונות שלו?

היתרון העצום הראשון הוא שיפור ניכר בבטיחות ברמת התא והסוללה: אלקטרוליטים מוצקים אינם דליקים בחימום, בניגוד לעמיתיהם הנוזליים.שנית, היא מאפשרת שימוש בחומרים חדשניים בעלי קיבולת גבוהה במתח גבוה, המאפשרים סוללות צפופות וקלות יותר עם חיי מדף טובים יותר כתוצאה מפריקה עצמית מופחתת.יתרה מכך, ברמת המערכת, זה יביא יתרונות נוספים כמו מכניקה פשוטה כמו גם ניהול תרמי ובטיחות.

מכיוון שהסוללות יכולות להפגין יחס הספק למשקל גבוה, הן עשויות להיות אידיאליות לשימוש בכלי רכב חשמליים.

מתי נוכל לצפות לזה?

מספר סוגים של סוללות מוצק עשויות לצאת לשוק ככל שההתקדמות הטכנולוגית ממשיכה.הראשונה תהיה סוללות מוצק עם אנודות על בסיס גרפיט, המביאות ביצועי אנרגיה ובטיחות משופרים.עם הזמן, טכנולוגיות סוללות במצב מוצק קלות יותר המשתמשות באנודת ליתיום מתכתית אמורות להפוך לזמינות מסחרית.