טעינה מהירה ואמינה? טכנולוגיה חדשנית אולי תאפשר בעתיד ליצור סוללות המבוססות על "קבלי-על"

עייפים מלחכות שהטלפון או הטאבלט שלכם ייטענו? הפתרון עשוי לבוא ממחקר שנעשה באוניברסיטת מרכז פלורידה שבאורלנדו, שם הצליחו ליצור סופר-קבלים בעלי צורה מורכבת, שיכולים להיטען ולהיפרק מספר רב של פעמים ולאחסן כמות רבה של אנרגיה.

קבלים הם רכיבים שאוגרים אנרגיה חשמלית. הם מורכבים משתי אלקטרודות המופרדות בחומר שאינו מוליך חשמל. במהלך הטעינה שלהם, אלקטרודה אחת נטענת במטענים חיוביים והשנייה נטענת במטענים שליליים. כל עוד יישארו נפרדים, המטענים יימשכו זה אל זה והקבל יאחסן אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. כשנרצה בסופו של דבר להשתמש באנרגיה הזאת, נחבר בין האלקטרודות ונקבל זרם חשמלי כשהמטענים על האלקטרודות ישתוו. הזרם הזה ידעך בהדרגה, עד שנאמר שהקבל נפרק. תהליכי הפריקה והטעינה האלה של הקבל הופכים אותו למעין סוללה שאפשר להטעין.

הקבל הפשוט ביותר הוא קבל לוחות, שהאלקטרודות שלו הן שני לוחות המוחזקים במרחק קבוע זה מזה. בדרך כלל מדובר במרחק זעיר של פחות ממילימטר, כדי שהמטענים יפעילו כוח גדול זה על זה והאנרגיה החשמלית הפוטנציאלית תהיה כמה שיותר גדולה. הקיבול של קבל תלוי בין השאר בשטח הפנים של האלקטרודה: ככל ששטח הפנים יהיה גדול יותר, כך יוכלו המטענים הדומים על אותה אלקטרודה (שדוחים זה את זה) להיות רחוקים יותר אלה מאלה.

לאחרונה איפשרו פיתוחים חדשים ליצור מעין "קבלי-על", שמסוגלים לאחסן אנרגיה גבוהה משמעותית מקבלים רגילים. הבעיה היא שכדי להשתוות לסוללת ליתיום רגילה (כמו זו שיש בטלפונים החכמים של היום) קבל העל צריך להיות גדול מאוד, ולכן אינו שימושי לטלפונים. הפתרון מגיע מהמחקר החדש, שבו צורתו המיוחדת של הקבל ואופן יצירתו מקנים לו שטח פנים גדול, עמידות וגמישות.

30 אלף מחזורים

קבל העל החדש הוא למעשה עמודי טונגסטן דקים ממש, בעובי של כמה מיליארדיות המטר, שיוצאים ממשטח טונגסטן דק וגמיש, במבנה שקצת מזכיר מברשת. כל עמוד מצופה בשכבות של טונגסטן גופריתי שמבודדות בין העמודים. התוצאה היא פני שטח גדולים מאוד, שכוללים לא רק את משטח הטונגסטן עצמו אלא את כל היקף העמודים.

הייצור של "מברשת הטונגסטן" פשוט יחסית: באמצעות חומצה מאכלים את גוש הטונגסטן, עד שנוצרים העמודים. אחר כך מחממים את המברשת בנוכחות גז המכיל גופרית ונוצר הציפוי. קלות הייצור והעובדה שעמודי הטונגסטן מחוברים ישירות למשטח, מעניקים לקבל-העל חוזק וגמישות – תכונות שמשפיעות לטובה על יכולתו להשתלב ביישומים עתידיים.

כדי לבדוק את תכונות הקיבול של מברשת הטונגסטן טבלו החוקרים את המברשת בתמיסת נתרן גופרתי והשתמשו במשטח הטונגסטן כאחת האלקטרודות. התוצאות הראו שהקיבול אכן היה גבוה, ומה שחשוב הרבה יותר – אפשר היה לחזור על התהליך פעמים רבות בלי לפגוע משמעותית באיכות הקבל. את קבל-העל אפשר לטעון יותר משלושים אלף פעם בלי לראות ירידה באיכות, לעומת כמה אלפי טעינות בסוללות ליתיום מודרניות.

החוקרים מבהירים שכרגע המחקר הוא בבחינת "הוכחת היתכנות", ויעבור עוד זמן עד שנראה קבלים כאלה במכשירים היומיומיים שלנו. אם זה אכן יקרה, ייתכן שעוד לא הרבה זמן כולנו נהיה הרבה פחות צמודים למטען הטלפון שלנו.