ב־18 בפברואר בכל שנה מציין העולם את יום הסוללה, כדי לחגוג את תרומתה של הסוללה החשמלית לחיינו ובהוקרה לממציאה האיטלקי – אלסנדרו וולטה (1745–1827). בשנת 2020 סוללות נטענות כבר מניעות כלי רכב חשמליים והן מנוע הצמיחה של שוק הרכב החשמלי.
מגמת המעבר לרכב חשמלי ופיתוחן של סוללות מוצקות (סוללות ללא רכיבים נדיפים ועם אלקטרוליט מוצק) קשורים זה בזה. סוללות מוצקות יאפשרו להגדיל את טווח הנסיעה החשמלי (המרחק שיכול לעבור רכב חשמלי בין טעינה לטעינה) לטווח נסיעה דומה לזה של רכב עם מנוע בעירה פנימית, ולבסוף אפילו להגדילו עוד יותר. אב טיפוס של רכב כזה יוצג בהמשך השנה ומכוניות כאלו בייצור מסחרי צפויות להגיע לשוק בשנת 2025.
אלקטרוליט מוצק מאפשר להשתמש בחומרים פעילים חדשים (כגון אנודה מליתיום בצורתו המתכתית) ובארכיטקטורות תא חדשות (כמו מבנה דו־קוטבי) להגדלת צפיפות האנרגיה של התא ו/או הסוללה. במקביל, פיתוחים כגון תאי סוללה “חכמים” המצוידים בחיישנים ישפרו גם הם את כמות האנרגיה הנצילה של הסוללה
שוחחנו עם פרופסור פיליפ וריקן (imec/KU Leuven/EnergyVille) שהסביר מהי חשיבותן של הטכנולוגיות החדשות האלו.
רכב חשמלי עם טווח נסיעה גדול מזה של רכב עם מנוע בעירה פנימית
העניין ברכב חשמלי הולך וגדל ככל שגדל טווח הנסיעה החשמלי.
עם זאת, כדי שמהפכת הרכב החשמלי תושלם, על טווח הנסיעה החשמלי להיות לכל הפחות שווה לזה של רכב עם מנוע בעירה פנימית. המפתח לשיפור טווח הנסיעה החשמלי טמון בארכיטקטורת הסוללה, ובפרט במעבר לתא חשמלי (מוכר גם בשם תא אלקטרוכימי) מוצק.
סוללות הליתיום־יון (LiB) הטובות ביותר שיש לנו כיום מורכבות מתאים חשמליים שבהם תמיסת אלקטרוליט, ולהן צפיפות אנרגיה של מעט יותר מ־700 ואט־שעה לליטר (Wh/l) שמאפשרת טווח נסיעה חשמלי מקסימלי של 500 ק”מ לערך. החדשות הרעות הן שבשל המאפיינים הכימיים של החומרים שמהן מורכבות סוללות רטובות (סוללות שבהן תמיסת אלקטרוליט), אנחנו מתקרבים במהירות למיצוי הפוטנציאל שלהן והמשך הגדלת צפיפות האנרגיה צפוי להיעצר בסביבות 800 ואט־שעה לליטר.
לעומתן, סוללות מוצקות – המשתמשות באלקטרוליט מוצק במקום בתמיסת אלקטרוליט – יכולות להגיע באופן תיאורטי לצפיפות אנרגיה גדולה יותר ואיתה גם את טווח הנסיעה החשמלי, ומכאן חשיבות פיתוחן.
המטרה: תאים חשמליים עם צפיפות אנרגיה של 1,000 ואט־שעה לליטר
כיום, טווח הנסיעה המרבי של רכב חשמלי נקבע לפי קיבולת האנרגיה של התאים החשמליים שמהם מורכבת סוללת הליתיום־יון שלו. התאים החשמליים מחוברים בטור ובמקביל כדי לספק את הזרם והמתח הגבוהים הנחוצים להנעת המנוע החשמלי.
באופן מעשי, כדי להגיע לטווח נסיעה חשמלי של 700 ק”מ, יש צורך בתאים חשמליים עם צפיפות אנרגיה של 1,000 ואט־שעה לליטר (או אנרגיה ספציפית של 500 ואט־שעה לק”ג). מכיוון שצפיפות האנרגיה של תאי הליתיום־יון שיש לנו כיום היא “רק” 700 ואט־שעה לליטר (או אנרגיה ספציפית של 230 ואט־שעה לק”ג), עלינו לחפש דרכים להגדיל את צפיפות האנרגיה באופן משמעותי.
על פי מפות הדרכים של המחקר והפיתוח, תאים חשמליים עם צפיפות אנרגיה של 1,000 ואט־שעה לליטר צפויים להגיע לשוק בשנת 2030 והם יתבססו על טכנולוגיית סוללת מתכת ליתיום מוצקה. עוד נחזור ונדון בפוטנציאל של סוללות מוצקות בהמשך, אולם תחילה עלינו לדבר על הגישה החלופית להגדלת צפיפות האנרגיה של סוללה לרכב חשמלי: סוללה המורכבת מתאים חשמליים “חכמים”.
תאים חשמליים “חכמים”: אחת הדרכים להגדלת טווח הנסיעה של רכב חשמלי
מלבד התאים החשמליים המרכיבים את הסוללות הגדולות המשמשות ברכב חשמלי, מכילה הסוללה גם חיישנים והתקנים אלקטרונים לניהול טעינת ופריקת הסוללה ולניטור מצבה. כך לדוגמה: כדי לשמור על בריאות הסוללה ולמנוע בלאי מוקדם, מערכת ניהול הסוללות (בראשי תיבות באנגלית: BMS) תשתמש לרוב רק בחלק מהאנרגיה האגורה בתאים, כדי למנוע שינויים מבניים הרסניים לכימיית התא החשמלי.
או בפשטות: טווח הנסיעה החשמלי בפועל הוא רק 60% עד 80% מקיבולת הסוללה (בהתאם לסוג הרכב החשמלי).
שימוש בתאים חשמליים “חכמים” שבהם מותקנים מיקרו־חיישנים לשיפור ניטור מצב הטעינה ובריאותה הכללית של הסוללה יכול לשפר מאוד את ניהול האנרגיה וכך להוביל להגדלת טווח הנסיעה החשמלי.
EnergyVille – איגוד של מוסדות המחקר הבלגיים KU Leuven, VITO, imec ו־UHasselt, העוסק בתחום מערכות אנרגיה חכמות ואנרגיה בת־קיימא – שוקד בימים אלה על פיתוח תאי סוללה חכמים המשתמשים במערכים של חיישנים ומעגלים אלקטרוניים מובנים לתקשורת עם ערכת ניהול הסוללות (BMS) והצגתם של אבות הטיפוס הראשונים צפויה בשנים הקרובות.
השלב הבא: מימוש הפוטנציאל של סוללה מוצקה
הרכב החשמלי הראשון שיונע בכוחן של סוללות מוצקות צפוי להגיע לשוק באמצע שנות ה־2020. טויוטה כבר הכריזה על הצגת אב הטיפוס שלה באולימפיאדת טוקיו שתערך בקיץ השנה.
תיאור: האלקטרוליט המוצק של imec, חומר חדש שישמש בדור הבא של סוללות הליתיום־יון לרכב חשמלי (הדגם מוצג להמחשה בלבד). מקור: imec.
עם זאת, הדורות הראשונים של תאי ליתיום־יון מוצקים לא יספקו צפיפות אנרגיה גדולה יותר מזאת של תאי ליתיום־יון רטובים, מכיוון שבשלב הראשון האלקטרודות יהיו עשויות עדיין מאותם חומרים.
אם כך, נשאלת השאלה מה בכלל הטעם בסוללות מוצקות? ובכן, אחד היתרונות של סוללות מוצקות הוא ביכולת לסדר את התאים החשמליים במבנה דו־קוטבי שמגדיל את המתח שיכול לספק התא החשמלי. כמו כן, המבנה הדו־קוטבי מאפשר להכניס יותר תאים חשמליים לסוללה בנפח נתון.
יתרון נוסף של סוללות ליתיום־יון מוצקות הוא שהן בטיחותיות יותר לשימוש ולכן אין צורך בחלק מהרכיבים האלקטרוניים לניטור מצבן ובטיחותן. עוד יתרון של סוללות מוצקות הוא שהפרש הפוטנציאלים שלהן גדול יותר מזה של סוללות ליתיום־יון רטובות, מה שמקטין את הסיכון לנזק לסוללה בשעת טעינה ופריקה ומגדיל את האנרגיה הנצילה של כל אחד מתאי הסוללה.
פירושו של דבר הוא שהאנרגיה הנצילה של סוללות ליתיום־יון מוצקות תהיה גדולה יותר גם אם בדורות הראשונים צפיפות האנרגיה שלהן לא תהיה גדולה יותר, ולפעמים אפילו קטנה יותר, מזאת של סוללות ליתיום־יון רטובות.
תיאור: צפיפות האנרגיה של סוללת ליתיום־יון (LiB) גדלה פי שלושה מאז שהוצגה לראשונה על ידי סוני בשנת 1991. שיפורים במבנה תא הליתיום־יון, כמו שימוש באנודה מגרפיט וקתודה עשויה LiCoO2, הובילו בין השנים 1995 עד 2010 לשיפור שנתי ממוצע של 25 ואט־שעה לליטר בצפיפות האנרגיה של הסוללה. שימוש בחומרים חדשים כמו קתודה עשויה NiCoAl ו־NiMnCo (בראשי תיבות: NCA ו־NMC, בהתאמה) והוספה הדרגתית של סיליקון לאנודה מגרפיט שמרו על מגמת השיפור הזאת מאז ועד היום. אולם, עם החומרים המוכרים לנו כיום צפויה להיעצר מגמת שיפור צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום־יון רטובות בסביבות 800 ואט־שעה לליטר. סוללות מוצקות יצטרכו לפרוץ את המחסום הזה ולהגיע לצפיפות אנרגיה של 1,000 ואט־שעה לליטר ואף יותר.
המרדף להצלחה: סוללות מתכת ליתיום מוצקות
כפי שראינו עד כה, לא מספיק להחליף את תמיסת האלקטרוליט באלקטרוליט מוצק כדי לשפר את צפיפות האנרגיה של הסוללה. למעשה, ההפך הוא הנכון. אלקטרוליט אי־אורגני מוצק בצורת אבקה יתפוס יותר מקום ויהיה כבד יותר מתמיסת האלקטרוליט שמשמשת כיום בסוללות ליתיום־יון. לפיכך, כל עוד האלקטרודות עשויות מאותם חומרים, מעבר לשימוש באלקטרוליט מוצק יקטין את צפיפות האנרגיה של התא החשמלי.
תיאור: תרשים מבנה של סוללות ליתיום־יון מוצקות עם אנודה מגרפיט־סיליקון, וסוללת מתכת ליתיום מוצקה עם אנודה משכבה דקה של ליתיום בצורתו המתכתית (תודה לזובין צ’ן, פיליפ וריקן, פאני בארדה על התרשים).
קפיצת המדרגה טמונה בכך שאלקטרוליטים מוצקים מסוימים מאפשרים נדידת יונים טובה יותר מזאת של תמיסת אלקטרוליט. פירושו של דבר שהאלקטרוליט נשאר יציב גם במתח גבוה מאוד (בניגוד לתמיסת אלקטרוליט), כך שאפשר להשתמש בקתודה מחומרים שיאפשרו לסוללה לספק מתח גבוה מ־3.6 עד 3.8 וולט שמספקות סוללות הליתיום־יון שיש לנו היום. מתח חשמלי גבוה יותר מגדיל את כמות האנרגיה שמספק תא הליתיום־יון בקיבולת נתונה.
לדוגמה: פוטנציאל המתח של אלקטרודה העשויה מ־LiMn1.5Ni0.5O2 (בראשי תיבות LMNO) הוא 4.7 וולט, אבל אי אפשר להשתמש בה ביחד עם תמיסת אלקטרוליט משום שתמיסת האלקטרוליט מגיבה עם האלקטרודה במתח גבוה כזה. לעומת זאת, אלקטרוליט מוצק כגון תחמוצת ליתיום־לנתן־זירקוניום (בראשי תיבות LLZO) נשאר יציב (לא מגיב כימית) עד למתח של 5 וולט ולכן מתאים לשמש עם קתודות מתח גבוה. השילוב הזה יכול לאפשר לסוללות ליתיום־יון מוצקות לפרוץ את מחסום צפיפות האנרגיה של 800 ואט־שעה לליטר.
הצעד הבא לעבר השגת צפיפות האנרגיה המיוחלת של 1,000 ואט־שעה לליטר, ואף לעבור אותה, הוא פיתוח סוללות מתכת ליתיום מוצקות (בראשי תיבות: LMB) שבהן האנודה עשויה מליתיום בצורתו המתכתית. לאנודה ממתכת ליתיום צפיפות האנרגיה הגדולה ביותר והיא גם מאפשרת להגיע להספק התא הגדול ביותר.
עד כה, השימוש במתכת ליתיום לא היה יעיל בגלל שטעינת הסוללה הובילה להיווצרות דנטריטים, שהם מבנים דמוי מחטים או זרועות, על האנודה. הדנטריטים גורמים לקצר פנימי בסוללה, שמוביל להתחממות ולבסוף לפיצוץ. היה זה ד”ר אקירה יושינו, אחד מזוכי פרס נובל לכימיה לשנת 2019, שבחר להשתמש בגרפיט כפתרון לשיפור בטיחותה של הסוללה ופתרון זה אפשר את תחילת הייצור המסחרי של סוללות ליתיום־יון רטובות (מכילות תמיסת אלקטרוליט) בתחילת שנות ה־90 של המאה ה־20.
ד”ר אקירה יושינו – זוכה פרס נובל לכימיה (2019). מקור: ויקיפדיה
החדרת יוני ליתיום בין שכבות הגרפיט היא פשרה שנעשתה במטרה לשפר את בטיחות הסוללות במחיר של אבדן צפיפות אנרגיה והספק. חלק מהאלקטרוליטים המוצקים לא מגיבים עם ליתיום מתכתי ופותחים אפשרות להשתמש בשכבת מתכת ליתיום דקה כאנודה. למעשה, סוללות מתכת ליתיום עם אלקטרוליט פולימר מוצק כבר משמשות בשוק, אולם הן פועלות בטמפרטורה של 70oC ולכן לא מתאימות לשימוש ברכב חשמלי משפחתי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוליטים הפולימריים המוצקים האלה יש מוליכות יוני ליתיום נמוכה. בניסיון להתגבר על הבעיה הזאת, במשך שנים התמקד המחקר של סוללות מוצקות במציאת אלקטרוליטים מוצקים עם מוליכות יונים גבוהה.
בשנים האחרונות התגלו מספר מועמדים מבטיחים שלהם מוליכות יוני ליתיום שווה או טובה יותר מזאת של תמיסות אלקטרוליט המשמשות בסוללות הליתיום־יון שיש לנו היום. מועמד נוסף הוא LLZO – תחמוצת אי־אורגנית במבנה המזכיר מינרל – שלמרות מוליכות יוני ליתיום נמוכה מעט מזאת של תמיסת אלקטרוליט, מעוררת עניין בזכות הפרש הפוטנציאלים הגדול שבו היא נשארת יציבה. מנגד, החיסרון של האלקטרוליטים האי־אורגנים האלה הוא רגישות גדולה ללחות שהופכת את תהליך הייצור למורכב ויקר.
imec פיתחה אלקטרוליט מפולימר ננו־מרוכב, המיוצר מתמיסה והופך למוצק עם כניסתו לתא החשמלי. התכונה הזאת מאפשרת להשתמש בחומר החדש בתהליכי הייצור הקיימים של סוללות ליתיום־יון ולכן סוללות כאלו צפויות להיות זולות יותר לייצור.
עכשיו כשיש בידינו כמה אפשרויות מבטיחות, עבר להתמקד המחקר של סוללות מוצקות בהרכבת התאים החשמליים וכל הרכיבים הנלווים לכדי סוללה מתפקדת. אחת מהבעיות היא שהחומרים מגיבים כימית ויוצרים שכבות פסיבציה בין הרכיבים הפעילים של התא, שפוגעות בתפקודו החשמלי. הפתרון הוא פיתוחו של ציפוי דק מיוחד (ציפוי יציב מלאכותי. באנגלית: Artificial interphase coating), למניעת התגובות הללו.
צוותי המחקר ב־EnergyVille עוסקים בפיתוח שיטות גמלון לא יקרות, להחדרת הציפויים היציבים הדקים והמיקרוסקופיים האלה אל בין שכבות החומר של אנודת הסוללה העבה. לציפויים הננומטריים האלה יהיה תפקיד מרכזי לא רק בפיתוח סוללות מתכת ליתיום מוצקות, אלא גם בהארכת חייהן של סוללות ליתיום־יון רטובות. למעשה, את רוב הידע שנצבר במחקר ובפיתוח של אלקטרוליט מוצק אפשר ליישם גם בסוללות ליתיום־יון רטובות. ומי יודע? אולי בסופו של דבר יתברר שהפתרון הטוב ביותר הוא גישה המשלבת בין טכנולוגיית סוללה מוצקה לטכנולוגיית סוללה רטובה…
