חוקרים מארה"ב: הוספת ננו-יהלומים לסוללות ליתיום-יון עשויה למנוע את התהליך הגורם להתלקחותן

סוללות ליתיום-יון מספקות את הזרם החשמלי הנדרש להפעלת רוב המכשירים האלקטרוניים הניידים כיום. המרדף אחר סוללות יעילות יותר שיעמדו בדרישות ההולכות וגדלות של ציבור הצרכנים בעיצומו. התחרות הקשה כבר הובילה לכמה מקרים מצערים של התלקחויות ואפילו קריאה להחלפה של כל מכשירי Samsung Galaxy Note 7.

הסוללות האלה מתפקדות כתא אלקטרוכימי קטן שמבוסס על ניוד של יוני ליתיום מהאלקטרודה השלילית לחיובית כדי לספק את הזרם חשמלי למכשיר כלשהו. השימוש ביוני ליתיום אמנם מאפשר צפיפות אנרגיה גבוהה, עם מספר גבוה יחסית של מחזורי טעינה-פריקה בלי פגיעה גדולה בביצועים, אבל להתבססות על ליתיום יש גם צד מסוכן.

תמיסת האלקטרוליט שמאפשרת את התנועה המהירה של יוני הליתיום (אטומי ליתיום בעלי מטען חשמלי חיובי) בתא האלקטרוכימי מתלקחת בקלות וחשיפה של ליתיום לאוויר יכולה לגרום להתלקחות נוספת בעקבות תגובה כימית עם אדי המים באוויר. לכן חימום יתר של הסוללה או קצר חשמלי יכולים להוביל לשריפה אלימה של הסוללה, ועם קצת חוסר מזל יכולה להיגרם פגיעה אמתית לרכוש או פציעה פיזית.

בהתחשב במגבלות הבטיחות, חוקרים רבים מחפשים דרכים לשפר את יעילות הסוללות, בעיקר דרך תכנון אלקטרודות שיאפשרו לקלוט ולפלוט יותר יוני ליתיום בזמן קצר ככל האפשר ובלי לפגוע ביכולת של הסוללה לעבור מחזורי טעינה-פריקה רבים.

אחת הסיבות להתלקחות אפשרית של סוללות מסוג זה היא קצר חשמלי. המנגנון שמוביל לקצר כולל בדרך כלל גיבוש לא נשלט של יוני ליתיום על האלקטרודה. היונים עוברים חיזור, כלומר קולטים אלקטרונים והופכים מיונֵי בתמיסה לאטומי מתכת על האלקטרודה. מחזורים רבים של התהליך יכולים ליצור מעין עמודי ליתיום זעירים או חוטים שעלולים לחצות את התא, לחבר בין האלקטרודות ולגרום לקצר.

לאורך השנים הוצעו מגוון פתרונות כדי למנוע או לעכב את גדילת עמודי הליתיום, אבל השיטות המקובלות גם מגבילות מאוד את ביצועי האנרגיה של הסוללות. חוקרים מאוניברסיטת דרקסל בפילדלפיה מדווחים כי גילו דרך חדשה, פשוטה ומבטיחה למנוע את יצירת עמודי הליתיום ולהגדיל את צפיפות האנרגיה בסוללות ליתיום-יון.

יהלומים זולים

החוקרים הוסיפו ננו-יהלומים לתמיסת האלקטרוליט של הסוללות ומצאו שהליתיום המתכתי מתגבש בעזרתם בצורה הרבה יותר אחידה ויוצר שכבת ליתיום חלקה יחסית על האלקטרודה במקום לייצר את העמודים המסוכנים.

 ננו-יהלומים הם חלקיקים פחמניים בגודל כמה עשרות ננומטרים (קטנים פי 10,000 מקוטר שערה אנושית) שהמבנה הגבישי שלהם דומה לזה של יהלום. מדובר בחומר זול בהרבה מהיהלומים שנמכרים בחנויות התכשיטים והוא משמש כבר שנים בתעשייה כתוסף שמשפר תהליכי ציפוי מתכתיים משום שהמבנה הגבישי הסדור של הננו-יהלומים משרה התגבשות אחידה ושכבתית של הציפוי המתכתי.

החוקרים מצאו התנהגות דומה גם בהתגבשות של יוני הליתיום בנוכחות ננו-יהלומים בתא אלקטרוכימי שמדמה את פעולתן של סוללות ליתיום-יון. העובדה שעמודי ליתיום מסוכנים לא נוצרים יכולה לאפשר שימוש במגוון אלקטרודות מחומרים שונים ובמבנים שונים שעד היום לא נוצלו בגלל שהם עודדו את יצירת עמודי הליתיום.

כמו בכל גילוי מדעי ראשוני, יש עוד דרך לא קצרה עד יישום טכנולוגיה מסוג זה בטלפונים הניידים של כולנו, אבל השימוש בתוספים לאלקטרוליטים כדי ליצור סוללות בטוחות עם צפיפות אנרגיה גבוהה הוא אפיק מבטיח שיכול להיות בסיס לסוללות של המחר.