יש למה לצפות

בשנת 2019 זכה ג'ון גודאינף, אלקטרוכימאי ותיק שהלך לעולמו לפני כשנה, בפרס נובל על המצאת סוללת הליתיום-יון, יחד עם שני מדענים נוספים. ההמצאה הזו חוללה מהפכה בתחום האלקטרוכימיה, ולא רק בו - היא שינתה את פני המחשוב, התקשורת, התחבורה ועוד. ממחשבים ניידים וטלפונים חכמים ועד מכוניות חשמליות, סולליות ליתיום-יון נמצאות היום בכל מקום.

אך המדענים לא שוקטים על השמרים: גם יותר ממאתיים שנה לאחר המצאת הסוללה הראשונה, ממשיכים גלגלי המדע האלקטרוכימי לנוע במרץ. מחקר חדש, פרי שיתוף פעולה של חוקרים מסין ומישראל, מציע דרך לייעל את פעילותן של סוללות אבץ. 

סוללה מבוססת אבץ היא אחת משורה של סוללות חדשניות שמאופיינות בצפיפות אנרגיה גבוהה – כלומר, יש להן יכולת לאצור כמות גדולה של אנרגיה בנפח קטן. סוללת האבץ נחשבת מבטיחה במיוחד משום שמתכת זו, בניגוד לליתיום, אינה דליקה ויציבה כימית במגע עם האוויר. עם זאת, היא אינה חפה ממגבלות. בין היתר נוטים להיווצר על פניה מבנים מסועפים בשם דנדריטים (מהמילה דנדרון, עץ ביוונית); האבץ גם מעורב בתגובות-צד – תגובות כימיות נוספות ובלתי רצויות. התהליכים האלה פוגמים ביעילות הסוללה ועלולים, במקרים מסוימים, אף לגרום לקֶצֶר.

איך בכל זאת אפשר להפוך את סוללות האבץ לשימושיות יותר? המחקר החדש של חוקרים מסין, בשיתוף פעולה עם הננוטכנולוג הישראלי אהוד גזית מאוניברסיטת תל אביב, מגיע לתת מזור מעשי לבעיה. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת Science Advances, ודוגמאות לתוקף שלהם הוצגו הן בעזרת שורה של שיטות ניסיוניות והן בעזרת חישובים מתקדמים בכימיה קוונטית.

רוב הסוללות הנפוצות כיום הן מסוג תא אלקטרוכימי, שבצד אחד שלו טבולה אלקטרודה בעלת מטען חיובי, ובצד השני אלקטרודה בעלת מטען שלילי | ויקימדיה, Alksub

מהי סוללה?

רוב הסוללות הנפוצות כיום הן מסוג תא אלקטרוכימי, שהופך אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. זהו תא ובו תמיסה מוליכה (אלקטרוליט), שבצד אחד שלו טבולה אלקטרודה בעלת מטען חשמלי חיובי (קתודה), ובצד השני אלקטרודה בעלת מטען חשמלי שלילי (אנודה). אטומים טעונים חיובית נעים בתוך התמיסה מאלקטרודה אחת אל האחרת. כשמחברים את החלקים החיצוניים של הקתודה והאנודה באמצעות תיל, המתח החשמלי בין שתיהן יעביר בתיל זרם חשמלי, שבעזרתו אפשר להפעיל מכשירי חשמל. בסוללות אבץ האנודה עשויה מאבץ, ואילו הקתודה יכולה להיות עשויה מפחמן, מכסף, ואפילו מאוויר.

סוללות ליתיום-יון וסוללות אבץ הן סוללות נטענות. משמעות הדבר היא שהתהליכים האלקטרוכימיים המתרחשים בהן הם הפיכים, ומתבצעים פעם אחר פעם: האנרגיה החשמלית שנוצרת בתהליך נרתמת מחדש בעזרת זרם בכיוון ההפוך, שמייצר אנרגיה כימית, שמניעה יצירה של אנרגיה חשמלית נוספת, וחוזר חלילה.

לעשות סדר בבלגן

איכות הסוללות נמדדת בהתאם לאורכם של מחזורי הפריקה והטעינה: ככל שמחזורי הפריקה והטעינה של הסוללה ארוכים יותר – כך היא נחשבת טובה יותר, ומשך החיים שלה ארוך יותר. המחקר החדש מנצל ומארגן מחדש תהליכים מובְנים שמתרחשים בסוללת האבץ על מנת להאריך את מחזורי הפריקה והטעינה במידה ניכרת, עד למצב בשם "Deep Cycling". במצב הזה המתח בסוללה יורד במהלך הפריקה עד לכעשרה עד עשרים אחוזים מערכו המקסימלי, ולאחר מכן הסוללה נטענת מחדש. זהו מצב רצוי, בין היתר בסוללות שמשמשות את תעשיית הרכב, שכן על הסוללה להיות יציבה ובעלת מחזורים ארוכים.

"השימוש באנודות אבץ עדיין לא נפוץ במיוחד, מכיוון שהן סובלות מתהליכי פריקה וטעינה מובְנים שאין לנו שליטה עליהם", סיפר גזית, חבר סגל באוניברסיטת תל אביב, לאתר מכון דוידסון. שכבה של אטומים מהקתודה מכסים את האנודה ולאחר מכן חוזרים למקומם, והתהליך הזה חוזר על עצמו פעם אחר פעם. הציפוי והחשיפה החוזרים ונשנים הללו מתרחשים באופן בלתי מסודר מכיוון שהאנודה עשויה מאבץ בלבד; כאן מציע המחקר החדש שינוי חשיבה – להפוך את אי-הסדר לסדר.

החוקרים שתלו בממשק שבין האנודה לתמיסת האלקטרוליט שכבה כפולה של ליפופפטידים | מתוך המאמר Chen et al., 2024

אי-הסדר בתהליכי הפריקה והטעינה (או הציפוי והחשיפה) יוצר בין היתר חוסר אחידות בעובי של האנודה, ומקצר באופן בלתי סדיר את משך המחזורים. כדי להתגבר על הקושי הזה, החוקרים שתלו בממשק שבין האנודה לתמיסת האלקטרוליט שכבה כפולה של מבנה ביוכימי בשם ליפופפטיד, המורכב מרצף חומצות אמינו קצר מאוד ומ"זנב" מסיס בשמן. המבנה הזה נפוץ בעיקר בחיידקים, והוא בעל יכולת ארגון עצמי מעולה מצד אחד ושימושיות כימית רבה מצד שני.

באמצעות מעקב בזמן אמת אחר הנדידה של אטומי האבץ בתהליך האלקטרוכימי, התברר לחוקרים ששכבת הליפופפטיד מסדרת את תהליכי הציפוי והחשיפה. "זה קורה", הוסיף גזית, "כי נוצרים קשרים בין אטומי האבץ לאטומי חנקן מהליפופפטיד; הקשרים הללו משנים את כל האלקטרוכימיה לטובתנו".

החוקרים טוענים שלא רק שהשיטה החדשה תהפוך את סוללות האבץ שימושיות בהרבה, אפשר ליישם אותה גם בסוללות שמבוססות על מתכות אחרות – נתרן, אשלגן, מגנזיום, סידן ואלומיניום – ולקבל צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד. יש למה לצפות, תרתי משמע.