החזון העומד בבסיס סוללות ומצברים מחומרי מצב מוצק

סוללות ומצברים מחומרי מצב מוצק עבור התקנים לבישים ומכוניות חשמליות

סוללות ומצברים מחומרי מצב מוצק, שקיימים כיום בשוק, הם התקנים דקי סרט (עשויים thin film), אשר בהם אפשר להשתמש רק לאחסון אנרגיה בהיקף מיקרו, למשל לצורך אספקת חשמל לחיישנים, בשל הקיבולת המוגבלת שלהם. ואולם, בזכות חדשנות בתחומי החומרים והמבנה, התכנון של סוללות ומצברי מצב מוצק יוכל בעתיד להתרחב למערכות אחסון גדולות, כמו למשל כאלו המשמשות עבור מכוניות חשמליות או עבור הרשת החכמה. פיליפה ווקריקן, מדען ראשי ומנהל תוכניות של ‘אחסון אלקטרו כימי’ בחברת imec מסביר את מפת הדרכים של imec שמאפשרת את הפיתוח הזה. פיתוח של חומר ננו–אלקטרוליטי עם מוליכות יונים גבוהה מהווה קישור חשוב להשגת יעד זה.

סוללות ומצברי יוני ליתיום “הרטובים” שקיימים כיום

ההופעה של מצברים וסוללות יוני ליתיום נטענים בשנת 1991 יצרה מהפכה כללית במרחב המצברים והסוללות. בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם, אפשר היה לאחסן כמות רבה יותר של אנרגיה בנפח קטן יותר, והמשמעות הייתה שהאנרגיה הדרושה להפעלת התקן, כדוגמת מחשב נייד, יכולה הייתה להפוך לניידת. הופעתה של סוללה זו איפשרה גם את עלייתן המהירה של מערכות אלקטרוניות חכמות וניידות. פיליפה ווקריקן: “ללא סוללות ומצברי יוני הליתיום, לא ניתן היה לתכנן את ההתקנים החכמים בממדים כל כך קטנים ואלגנטיים. כיום, בוחרים בהם גם כפתרון עבור מערכות שנדרשת להן אנרגיה רבה יותר, כמו כלי רכב חשמליים או התקני אחסון מקומיים לאנרגיה זמנית עבור רשת חשמל חכמה. ביישומים כגון אלו יש חשיבות לפרמטרים שונים, למשל קיבולת האחסון (המבוטאת באמפר-שעה) ואורך חיים. עבור כלי רכב חשמליים, חשובה גם אספקת החשמל (הזרם המרבי): צריך שאפשר יהיה להאיץ את המכונית במהירות, ואנו מעונינים גם לטעון את מצברי הרכב תוך זמן קצר. מכוניות חשמליות מופעלות כיום במצברים של יוני ליתיום בלבד.”

על מנת לחולל זרם, האלקטרונים וגם יוני הליתיום נעים מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרודה החיובית. במהלך הטעינה הם נעים בכיוון ההפוך. קיבולת האחסון נקבעת בעיקרה על ידי הכמות של החומר באלקטרודות. האלקטרוליט מספק את ההולכה של היונים בין האלקטרודות ומגדיר את העוצמה של הסוללה או המצבר. פיליפה ווקריקן: “לחומרים האלקטרוליטיים הנוזליים שמשמשים אותנו כיום יש כמה מגבלות. למשל, השימוש בחומר אלקטרוליטי נוזלי מחייב שימוש בבית מיוחד, וכן גם בממברנה שתהיה בין האנודה והקתודה הנקבוביות. כל אלו מציבים מגבלות על הממדים והתכנון של סוללה (מצבר) “רטובה” זו. החומרים האלקטרוליטיים הנוזליים הם גם דליקים ומאכלים, וגורמים לסיכונים בטיחותיים ובריאותיים.”

סוללה ומצבר מצב מוצק של יוני ליתיום

כיום נחקרות כמה אפשרויות עבור מצברים וסוללות עתידיים, אשר יאפשרו להתגבר על המגבלות האלו בלי שיהיה צורך להתפשר על הביצועים ואולי אף עם יכולת לערוך שיפורים. הבחירה של imec בשלב זה היא בתפישה של סוללת מצב מוצק (לא אורגנית). פיליפה ווקריקן: “השימוש בחומר אלקטרוליטי מוצק מאפשר להציב את האלקטרודות זו לזו באופן קרוב יותר, להפוך את הסוללה לקומפקטית יותר ולספק צפיפות אנרגיה רבה יותר. לרוע המזל, לחומרים האלקטרוליטיים הקיימים היום יש יכולת נמוכה מדי של הולכת יונים. כתוצאה מכך, יוני ליתיום יכולים לגשר על מרחקים קצרים בלבד, לכן סוללות אלו קיימות רק בצורה של סוללות סרט דק (thin film). סוללות אלו יכולות לשמש רק לצורך אחסון מיקרו בגלל הקיבולת המוגבלת שלהן. כיום כבר יש בשוק כמה סוגים של סוללות כאלו.

סוללות סרט דק, תלת ממדיות עבור אחסון מיקרו

התכנון במצב מוצק מאפשר יצירת ארכיטקטורות חדשות לחלוטין של סוללות ומצברים, למשל סוללת סרט דק תלת ממדים קומפקטי. פיליפה ווקריקן: “בסוג זה של סוללות, מערום (stack) הסרט הדק מצופה על פני מצע במבנה מיקרו, במקום על גבי מצע מישורי. שיטה זו מאפשרת להשתמש בסרטים דקים ביותר עבור האלקטרודות והאלקטרוליט, ובה בעת לקבל צפיפויות אנרגיה שוות ערך לאלו המושגות בטכנולוגית הסוללות והמצברים של היום. עם זאת, הקיבולת הממשית עדיין תהיה מוגבלת כתוצאה מהממדים המובנים הקטנים של סוללות אלו. לכן חשוב שאפשר יהיה לטעון את הסוללות האלו במהירות או למלא אותן ברקע, כך שהסוללה לעולם לא תתרוקן לחלוטין ומערכת המיקרו לעולם לא תיוותר ללא אספקת מתח. כל זאת מתאפשר בזכות השימוש בסרטים בעלי עובי של מאות ספורות של ננו מטר בלבד. כתוצאה מכך, היונים צריכים לנוע מרחק קצר בלבד ואפשר לטעון את הסוללה תוך דקות. סוללות אלו, בעלות הממדים הקטנים, מיועדות למערכות מיקרו כגון משתלים, חיישנים ו”כרטיסים חכמים”.”

חברת imec הדגימה כבר את הוכחת ההיתכנות, כאשר האלקטרודות (LMO ו- LTO) עברו ציפוי במערכים של עמודי מיקרו (micro pillar array) שנוצרו באמצעות ליתוגרפיה. פיליפה ווקריקן: “אנחנו עובדים גם על חלופה לליתוגרפיה, כך שאפשר יהיה לייצר את המבנים של עמודי המיקרו בעלות נמוכה יותר. לצורך זה נשתמש בתהליך הנדסי מבוסס על סרט, שגם יהפוך את הסוללה לגמישה. בשלב מאוחר יותר נשדרג עוד את טכנולוגית הסרט הדק לקבלת אנרגיה רבה יותר וצפיפויות עוצמה גבוהות יותר, כך שהיא תהיה מתאימה, למשל, עבור יישומים אלקטרוניים ניידים וגמישים”.

 

איור 1: (מימין) תרשים של סוללת סרט דק תלת ממדית. (שמאל) מבנים של עמודי מיקרו תלת ממדיים מצופים. לעמודים יש קוטר של 2 מיקרו מטר ומרווח זהה ביניהם.

חומר ננו אלקטרוליטי מרוכב

החומר האלקטרוליטי ממלא תפקיד חשוב בפיתוח סוללות עם יכולות גדולות יותר של קיבולת אחסון. ככל שחומרים אלקטרוליטיים יקבלו יכולות גבוהות יותר של מוליכות יונים, יופיעו אפשרויות ארכיטקטורות חדשות של סוללות עם אלקטרודות, שהעובי שלהן יוכל לגדול באופן מתמיד ולכן, תהיה להם גם קיבולת אחסון גבוהה יותר (חומר רב יותר באלקטרודות). המשמעות של המוליכות הגדולה יותר של החומר האלקטרוליטי היא שיוני הליתיום יוכלו לגשר על מרחק גדול יותר. בחומרים האלקטרוליטיים של המצב המוצק הקיים היום (כגון, LiPON, מלח ליתיום פוספט עם אילוח של חנקן) אנחנו יכולים להגיע לערכי מוליכות פנימית של 10-7 עד 10-6 סימנס לס”מ, שהמשמעות שלהם היא ששכבת החומר האלקטרוליטי מוגבלת לעובי מרבי של 1 מיקרו מטר. כדי שמצברים בטכנולוגיה זו יתאימו למכוניות חשמליות או לאחסון בייתי אנו זקוקים לערכי מוליכות של 10-3 עד 10-2 סימנס לס”מ.

פיליפה ווקריקן: “אנחנו ב- imec, משקיעים מאמצים רבים מאוד בפיתוח של חומר אלקטרוליטי מוצק. אנחנו משקיעים מאמצים בפעילות הנדסית על חומרים בהיקף גודל של ננו, על מנת לקבל מוליכות יונים גבוהה. למשל, אנו משתמשים בסיליקה נקבובית ברמת ננו, חומר שאתו יש לנו ניסיון רב מאוד בתעשיית השבבים. כאשר משלבים את החומר הזה עם מלח ליתיום, לחומר מרוכב, אפשר לקבל הולכה מהירה יותר של יונים מפני שיוני הליתיום נעים דרך החומר הזה לאורך פני השטח של הסיליקה. המוליכות גדלה עוד באמצעות מה שאנו מכנים “מגבלת הנקבוביות”, שהיא “נעילה” של יוני הליתיום במבנה הנקבובי. התוצאה של “מגבלת נקבוביות” זו, היא שתכונות החומר בכללותו משתנות. באמצעות שיטה זו הצלחנו לפתח חומר ננו אלקטרוליטי מרוכב עם מוליכות של כמה מילי- סימנס לס”מ, בטמפרטורת החדר, וזה יותר ממספיק כדי לייצר סוללה או מצבר בקיבולת גבוהה בהתבסס על אלקטרודות אבקה.”

מצבר אבקה מרוכב עבור מערכות אחסון גדולות

עם החומר האלקטרוליטי הזה, הגיעו החוקרים לנקודת מעבר והחלו בפיתוח של סוללה או מצבר מרוכב של אבקת מצב מוצק. במצבר, מבני האלקטרודות עבים יותר בהרבה (יותר מ- 70 מיקרו מטר) וכתוצאה מכך קיבולת המצבר גדלה יותר בהרבה. המשמעות של החומר האלקטרוליטי החדש עם מוליכות יונים המגיעה ליותר ממילי סימנס לס”מ, היא שיוני הליתיום יכולים לגשר על המרחקים שבין האלקטרודות. פיליפה ווקריקן: “בעזרת התא הזה אנו מתכוונים להגיע ליכולות של קיבולת בסדר גודל של אמפר-שעה. המשמעות היא שאפשר להשתמש בהם בסוללות של מערכות אלקטרוניות ניידות (כמו מחשבים ניידים או מצלמות), וכן עבור מצברים של מכוניות חשמליות בעתיד ובמערכות אחסון חשמל ביתיות עבור רשת החשמל. ובאופן כזה, על ידי שימוש במצברים של המצב המוצק, נוכל להציע חלופות בטוחות יותר לסוללות ולמצברי יוני ליתיום “רטובים”. כל אלו יהפכו להיות נכס משמעותי עבור יישומים כדוגמת המכונית החשמלית. בנוסף, יתאפשר גם להפוך את הסוללות והמצברים האלו לקומפקטיים יותר מאשר הסוללות והמצברים של יוני ליתיום “הרטובים” הקיימים, ולכן תהיה בהם צפיפות אנרגיה גדולה יותר.”

איור 2: תרשים מצבר מרוכב של אבקה במצב מוצק עם חומר ננו אלקטרוליטי מרוכב.

על מנת ליצור את המצבר הזה, החוקרים פועלים ככל האפשר על פי אותה טכנולוגיה ששימשה את תהליך הייצור של הסוללות והמצברים “הרטובים”. פיליפה ווקריקן: “לציפוי של האלקטרודה, משתמשים בחלקיקים פעילים של אלקטרודה בגודל מיקרון. ועל מנת להגדיל את מוליכות האלקטרונים דרך אלקטרודות נקבוביות אלו יש להוסיף פחמן. פולימר חיבור מחבר את החלקיקים הפעילים ואת הפחמן באלקטרודות על יריעה מתכתית. לאחר ייבוש ודחיסה של ציפוי האלקטרודה, האנודה והקטודה מחוברות יחד, עם ממברנה נקבובית ביניהם כחומר מפריד. מערום הסוללה המורכב מושקע לאחר מכן בחומר אלקטרוליטי נוזלי, וכך הוא חודר גם לתוך האלקטרודות הנקבוביות וגם למפריד הנקבובי שבין שכבות הקטודה לאנודה. הסוללה המרוכבת באבקה שלנו מיוצרת באופן דומה. ואולם, כעת חומר הננו האלקטרוליטי המרוכב מיושם כציפוי רטוב, אשר לאחר מכן הוא עובר ייבוש כדי לקבל אלקטרוליט במצב מוצק. בנינו דגמים ראשונים להדגמה של סוללה זו באמצעות LFP (LiFePO4) עבור הקתודה ותחמוצת LTO או ליתיום עבור האנודה. האלקטרודות עברו ציפוי ב- JSR בחומר החיבור המימי הייעודי שלהם. עד כה הגענו ל- 50% מהקיבולת עבור תא זהה עם אלקטרוליט נוזלי”. בשלב הבא, ביצועי הקיבולת והיחס ישתפרו.

איור 3: ביצועי טעינה/ פריקה של סוללה מרוכבת של אבקה (בקו מלא). הקיבולת היא 50% מהקיבולת של תא זהה עם אלקטרוליט נוזלי (קו מרוסק). הנתונים נמדדו על ידי Xubin Chen
(
imec ו- KU Leuven).

הפיתוח של סוללות ומצברים מרוכבים של אבקה, מהווה חלק מהפעילויות של Energy Ville – מרכז של מומחיות שמאחד את KU Leuven, VITO, אוניברסיטת Hasselt ו- imec במחקר שמטרתו מערכות אנרגיה מתחדשת ומערכות אנרגיה חכמה.  פיליפה ווקריקן: “אוניברסיטת Hasselt והמעבדה המסונפת שלנו, IMOMEC, מעורבות גם הן בעבודה זו. אנו נשתף עמם פעולה כדי להמשיך במחקר בנושא ציפויי אבקה וחלקיקי ננו לאלקטרודות. השלב הבא יהיה לשדרג את הטכנולוגיה. שדרוג זה יתבצע בעיקר במעבדת הסוללות והמצברים החדשה (עם חדר יבש) שתיבנה ב- Genk כחלק
מ- Energy Ville.

פרופסור פיליפה ווקריקן, מדען ראשי
«
ומנהל תוכניות של ‘אחסון אלקטרו כימי’
בחברת imec

אודות המחבר:

פרופסור דוקטור פיליפה ווקריקן קיבל את תוארו כפרופסור בכימיה פיזיקלית בשנת 1998 מאת אוניברסיטת Ghent. לאחר 7 שנות ניסיון בארה”ב, בהתחלה כחוקר לתואר בתר דוקטור באוניברסיטת Johns Hopkins ולאחר מכן, כחבר בצוות מחקר ב- IBM Research, הוא הצטרף לקבוצת חומרי ננו, לחברת imec בשנת 2005. בשנת 2010 הוא מונה לפרופסור חבר במרכז הכימיה המשטחית וקטליזה בפקולטה להנדסת מדעי ביו ב- KU Leuven. באותה שנה החל פרופסור ווקריקן את פעילויות אחסון האנרגיה ב- imec. כיום עבודתו מתמקדת בפיתוח של סוללות ומצברים של יוני ליתיום במצב המוצק.

פרופסור פיליפה ווקריקן, IMEC

תגובות סגורות