מחקר במימון צבא ארצות הברית עשוי להוביל לפיתוח סוללות יעילות שלא עושות שימוש כלל במתכות כבדות רעילות

סוללות כבר מזמן לא רק מספקות את האנרגיה שדרושה לנו כדי להעביר ערוצים בטלוויזיה בלי לקום מהספה. במציאות של ימינו, עתירת הטלפונים החכמים, המחשבים הניידים ואין ספור טכנולוגיות ניידות אחרות, איננו יכולים להסתדר בלעדיהן. הכניסה המואצת של כלי רכב חשמליים ומקורות של אנרגיה מתחדשת לעולמנו מוסיפה להן משנה חשיבות.

לפיתוח סוללות טובות יותר יש פוטנציאל כלכלי עצום, כמו גם יכולת לשחרר אותנו מהתלות באנרגיה מזהמת שמקורה בשריפת דלקי מחצבים. חברות גדולות וקטנות, צבאות ומדינות, משקיעים משאבים אדירים בפיתוח טכנולוגיות חדשות. לאחרונה, במחקר משותף של צבא ארצות הברית ואוניברסיטת מרילנד, פותחה טכנולוגיה שמאפשרת לייצר סוללות חזקות ובטוחות יותר בלי צורך במתכות כבדות מזהמות.

סוללות ליתיום-יון הן אלה שמספקות כיום את האנרגיה לרוב המכשירים האלקטרוניים הניידים וכלי התחבורה החשמליים. מדובר בתא אלקטרוכימי קטן שמבוסס על ניוד של יוני ליתיום, שהם אטומי ליתיום בעלי מטען חשמלי חיובי, מהאלקטרודה השלילית (אנודה) לחיובית (קתודה). כך נוצר זרם חשמלי.

רבות מהסוללות הללו משתמשות בגרפיט כאנודת אינטרקלציה, כלומר כזאת שמאפשרת ליונים להיכנס ולצאת מתוך השריג עם המטען החשמלי שלהם בלי לחולל שינוי הרסני במבנה האלקטרודה. הגרפיט מורכבת מאטומי פחמן במבנה שכבתי המאפשר לארח יונים, כמו יון הליתיום החיובי. הקתודה עשויה בדרך כלל מתרכובת שמכילה אטומי ליתיום, חמצן ומתכת כבדה, יקרה ומזהמת כמו ניקל או קובלט. עד כה השימוש במתכות כבדות בקתודה היה חיוני כדי להגיע לרמות התפקוד הרצויות.

במוקד הפיתוח החדש עומדת כימיית אינטרקלציה שמאפשרת לגרפיט לארח גם יונים שליליים כמו ברום וכלור, כך שהגרפיט יכול לשמש קתודה יעילה ובטוחה. הקתודה החדשה עשויה מחומר מרוכב שבנוי מגרפיט וממלח כמו ליתיום כלוריד (LiCl). היא מאפשרת להשתמש בגרפיט, שהוא חומר זול ולא רעיל, כבסיס גם לקתודה וגם לאנודה, כך אפשר לייצר סוללות שלמות בלי שום צורך במתכות כבדות.

הקתודה החדשנית: רשת של גרפיט (בצורת משושים) ובין שכבותיה יונים של ליתיום וכלור | איור: צבא ארצות הברית
הקתודה החדשנית: רשת של גרפיט (בצורת משושים) ובין שכבותיה יונים של ליתיום וכלור | איור: צבא ארצות הברית

הקתודה החדשה לא פוגמת ביכולות של הסוללה. למעשה החוקרים דיווחו על  ביצועים טובים יותר מהסוללות הטובות ביותר הקיימות כיום בשוק. אחת הסיבות היא שבניגוד לסוללות ליתיום-יון סטנדרטיות, שמשתמשות רק ביוני ליתיום כדי לאגור מטען חשמלי, הקתודה החדשה מאפשרת לאגור אנרגיה גם ביונים שליליים של ברום וכלור.

החוקרים הרכיבו סוללה שמבוססת על הקתודה החדשה עם אלקטרוליט שמבוסס על מים עם יונים בריכוז גבוה במיוחד שפיתחו לפני כמה שנים. השילוב של שתי הטכנולוגיות מאפשר להרכיב סוללה מחומרים זולים וידידותיים יותר לסביבה, שמציגה ביצועים טובים יותר ממקבילותיה ושסכנת ההתלקחות שלה קטנה משמעותית.

לפני הטכנולוגיה הזאת עדיין ניצבים אתגרי פיתוח משמעותיים בטרם תוכל להפוך מסחרית ושמישה בקנה מידה גדול. עם זאת, מדובר בחדשנות כימית וטכנולוגית עם פוטנציאל אמיתי להשפיע על שוק הסוללות ההולך וגדל.