פיתוח חדש עשוי לאפשר ייצור של סוללות נטענות זולות ויעילות, שמשתמשות בעיקר באבץ ובחמצן מהאוויר

בתקופה שבה מכוניות שמונעות באמצעות סוללות הן כבר מזמן לא פנטזיה, ושווי השוק של יצרניות כלי הרכב החשמליים שובר שיאים, המירוץ לפיתוח הדור הבא של הסוללות הללו נמצא בעיצומו. הדרישות העיקריות הן שעליהן לאגור כמה שיותר אנרגיה בעלות כמה שיותר נמוכה. פיתוח חדש מאפשר לייצר סוללת אבץ חזקה ונטענת, שמבוססת בחלקה על חומר שאין זול ממנו – אוויר.

סוללות העתיד יוכלו לאגור אנרגיה רבה בנפח ובמשקל מזעריים. צפיפות האנרגיה הגבוהה תאפשר לא רק להניע מכוניות למרחקים יותר ויותר גדולים, אלא גם לקיים חיים מודרניים שמבוססים על אנרגיה ירוקה. הן יאחסנו אנרגיה סולרית שתופק בשעות היום, שבהן קרינת השמש חזקה וישירה, ויאפשרו לנצל אותה בלילות ובימים מעוננים.

סוללות הן התקן שממיר אנרגיה כימית לחשמל. הן מורכבות משתי אלקטרודות – אנודה שעשויה מחומר שיכול למסור אלקטרונים (מחזר) לאלקטרוליט הכימי, וקתודה שעשויה מחומר שיכול לקחת אלקטרונים (מחמצן) מהאלקטרוליט. אלקטרוליט הוא חומר שיכול להכיל יונים – אטומים או מולקולות בעלי מטען חשמלי חיובי או שלילי – ולאפשר תנועה שלהם בין שתי האלקטרודות. כך נוצר זרם חשמלי.

סוללה דקה לשעון או מכשיר שמיעה | צילום: Richard Williamson, Shutterstock
סוללות אבץ-אוויר הנמצאות בשימוש כיום הן אכן קטנות, קלות וזולות, אך אינן נטענות. סוללה דקה לשעון או מכשיר שמיעה | צילום: Richard Williamson, Shutterstock

אוויר במקום אלקטרודה

אחת הטכנולוגיות המבטיחות לדור הבא של הסוללות היא סוללות מתכת-אוויר, שבהן חמצן מהאוויר תופס את מקומה של הקתודה. הרעיון הוא לנצל את העובדה שהאוויר שאנחנו נושמים הוא חומר כמעט חסר משקל, שנמצא בשפע בכל מקום, עלותו אפסית והוא מכיל חמצן – חומר מחמצן חזק במיוחד. השימוש בקתודת אוויר במקום חומרים מחמצנים אחרים מוזיל את עלויות החומר של הסוללה, ובמקביל מאפשר להפחית את משקלה ואת גודלה, כך שצפיפות האנרגיה שלה יכולה להיות גבוהה יותר.

אחת הבעיות של סוללות האבץ-אוויר שנמצאות בשימוש כיום היא שהן אינן ניתנות להטענה. כדי שנוכל לטעון שוב ושוב, התהליך הכימי שבבסיסה צריך להיות הפיך. כשאנו משתמשים בסוללה, התגובה הכימית הישירה תספק לנו את הזרם החשמלי, ואילו כשנרצה לטעון אותה מחדש ונספק לה זרם חשמלי חיצוני, תתרחש התגובה הכימית ההפוכה והסוללה תהיה מוכנה לספק לנו שוב זרם חשמלי לכל צרכינו.

התהליך הכימי שבבסיס סוללת אבץ-אוויר מהדור הישן כלל מעבר של חמצן דרך קתודה מחוררת, בצורה שמאפשרת לו להגיב עם מים בדרגת חמצון (pH) גבוהה ולייצר יוני הידרוקסיד (-OH). היונים עושים את דרכם לאנודה ושם מגיבים עם היסוד המתכתי אבץ ליצירת תחמוצת אבץ (ZnO). מדובר בתהליך יעיל מאוד, אך התגובה שמתרחשת בו אינה הפיכה כמעט.

כדי להדגים לראשונה סוללות אבץ-אוויר נטענות, היו החוקרים צריכים לשנות את התהליך הכימי הבסיסי של הסוללה כך שיהיה אפשר לטעון אותה שוב ושוב. הם השתמשו לשם כך באלקטרוליט חדש, המכיל חומר דוחה מים שיוצר סביב הקתודה מעטפת אטומה למים. כך החמצן לא מגיב עם המים, אלא ישירות עם יוני אבץ שעשו את דרכם מהאנודה, ומתקבל אבץ דו-חמצני (ZnO2). התגובה הזאת הפיכה, לכן הסוללה יכולה להיטען.

הכימיה החכמה והחדשנית שמאפשרת לטעון סוללות אבץ-אוויר מהדור החדש היא אומנם צעד חשוב לקראת שימוש רווח בה, אך נותרו עוד אתגרים רבים שמחכים לפתרון. אחד מהם הוא שזמן הטעינה של הסוללה ארוך משמעותית מזמן ההטענה של סוללות נטענות אחרות שנמצאות כיום בשימוש. ייתכן, עם זאת, שסוללות יעודיות שישולבו במערכת החשמל לצד תאים סולריים לא יידרשו להיטען במהירות, אך יהיו חייבות להיות זולות וחזקות. כאן טמון הפוטנציאל העצום של סוללות שמבוססות על מתכת זולה כאבץ ועל אוויר, פשוט אוויר.