חוקרים מג'ורג'יה טק פיתחו תא בעל טעינה עצמית המשתמש בחומרים פייזו-חשמליים כדי להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה כימית – האם זו הטכנולוגיה שתגאל אותנו מהתלות האינסופית בסוללות?
סוללות מתרוקנות הופכות להיות אחת מהבעיות העיקריות של העולם הטכנולוגי המורכב שבו אנו חיים. רבים מהמכשירים שאנשים קונים בשנים האחרונות, ועוד יותר בשנים הקרובות, הם ניידים ודורשים אנרגיה המבוססת על אנרגיה כימית המגיעה מסוללות. אך הצורך לטעון אותן שוב ושוב מקטין את יכולת הניידות.
חוקרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו תא אנרגיה המסוגל להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה כימית, ויודע לאחסן אותה עד שחרורה כזרם חשמלי.
על ידי ביטול הצורך להמיר אנרגיה מכנית לחשמל להטענת הסוללה, הגנרטור ההיברידי החדש שמשלב גם תא אחסון אנרגיה עושה שימוש באנרגיה מכנית ביעילות גבוהה יותר מאשר מערכות המפרידות בין הגנרטור לסוללה.
בליבו של תא אנרגיה עם יכולת טעינה עצמית יש קרום פייזו-חשמלי אשר מניע יוני ליתיום מצד אחד של התא לצידו האחר, כאשר הקרום מתעוות כתוצאה מלחץ מכני.
יוני הליתיום שמונעים דרך הקרום המקוטב באמצעות הפוטנציאל הפייזו-חשמלי מאוחסנים ישירות כאנרגיה כימית באמצעות תהליך אלקטרוכימי.
| שניים מהחוקרים מחזיקים רכיבים של תא האנרגיה ההיברידי החדש |
על ידי שימוש בכוח דחיסה, דוגמת עקב של נעל המכה במדרכה בזמן שאדם צועד, תא הכוח מייצר זרם המספיק להפעיל מחשבון קטן. תא כוח היברידי בגודל של סוללת כפתור רגילה עשוי להספיק למכשירים אלקטרוניים קטנים – וביום מן הימים עשוי לשמש למטרות צבאיות כאשר חיילים יוכלו להטעין ציוד מופעל-סוללות באמצעות הליכה.
"אנשים רגילים לחשוב על ייצור חשמל ואחסונו כשתי פעולות נפרדות המבוצעות בשתי יחידות שונות", סיפר פרופסור צ'ונג לין וואנג, חבר הנהלה בכיר במחלקה להנדסת חומרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה.
"השתמשנו ביחידה היברידית כדי ליצור תא כוח עם טעינה עצמית, המדגים שיטה חדשה להמרת אנרגיה ואחסונה ביחידה משולבת".
המחקר פורסם ב-9 באוגוסט 2012 בבטאון Nano Letters. המחקר נתמך על ידי DARPA (הסוכנות למחקרים צבאיים מתקדמים), חיל האויר האמריקאי, משרד האנרגיה האמריקאי, הקרן הלאומית למדע, והתוכנית לקידום ידע של האקדמיה הסינית למדעים.
תא הכוח מכיל קתודה שעשויה מתחמוצת ליתיום-קובלט (LiCoO2) ואנודה המורכבת מנאנו-צינוריות של דו תחמוצת טיטאניום המגודלים על מצע של רדיד טיטאניום. שתי האלקטרודות מופרדות על ידי קרום המורכב מחומר הנקרא (PVDF (Polyvinylidene fluoride המייצר מטען פייזו-חשמלי כאשר מופעל עליו לחץ. כאשר תא הכוח נדחס מכנית, הקרום מייצר פוטנציאל פייזו-חשמלי שפועל כמשאבת מתח המניעה יוני ליתיום מצד הקתודה לצד האנודה. לאחר מכן, האנרגיה מאוחסנת באנודה כתחמוצת ליתיום-טיטאניום.
הטעינה מתבצעת במחזורים כאשר דחיסת תא הכוח יוצרת פייזו-פוטנציאל שמסייע ליוני הליתיום להגר עד הנקודה שבה שיווי המשקל הכימי של שתי האלקטרודות מושג מחדש, והחלוקה של יוני הליתיום מאפשרתת לאזן את השדות הפייזו-חשמליים על פני קרום ה-PVDF. כאשר הלחץ המופעל על תא הכוח מוסר, השדה הפייזו-חשמלי בקרום ה-PVDF מתנדף, ויוני הליתיום נשמרים באנודה בעזרת תהליך כימי.
מחזור הטעינה מושלם באמצעות תהליך אלקטרוכימי אשר מחמצן כמות קטנה של ליתיום-קובלט על הקתודה והופך אותה ל-Li1-xCoO2 ומפחית כמות קטנה של דו תחמוצת הטיטאניום ל-LixTiO2 על האנודה. הפעלת לחץ על תא הכוח שוב, חוזר על התהליך.
כאשר מטען חשמלי מחובר בין האנודה והקתודה, אלקטרונים זורמים אל המטען, ויוני הליתיום בתוך התא זורמים חזרה מצד האנודה לצד הקתודה.
באמצעות שימוש בכוח דחיסה מכני בתדר של 2.3 הרץ, החוקרים הגבירו את המתח בתוך תא הכוח מ-327 מיליוולטים ל-395 מיליוולטים תוך ארבע דקות בלבד. לאחר מכן, המכשיר עבר פריקה בחזרה למתח המקורי עם זרם של 1 מיליאמפר במשך שתי דקות. החוקרים העריכו את הקיבולת החשמלית של תא הכוח כ-0.036 מיליאמפר-שעה.
עד כה, וואנג וצוות המחקר שלו – שכולל את שיניו שו, סיהונג וואנג, וונקשי גואו ויאן ז'אנג – בנו ובדקו מעל 500 תאי כוח כאלה. וואנג העריך כי הגנרטור-סוללה יהיה יעיל פי חמישה בהמרת אנרגיה מכנית לאנרגיה כימית מאשר מערכת המפרידה בין הגנרטור לאחסון.
רוב האנרגיה המכנית המושקעת בתאים מתבזבזת כרגע על עיוות מעטפת הפלדה בה החוקרים משתמשים בכדי להכיל את תא הכוח. וואנג מאמין כי ניתן יהיה לשפר את אחסון האנרגיה על ידי שימוש במעטפת משופרת.
| תקריב על הרכיבים של תא הכוח ההיברידי החדש. העיגול השקוף במרכז הוא פילם פייזו-חשמלי שמשמש כמשאבת מטען חשמלי עבור יוני הליתיום |
"כאשר נשפר את חומרי המעטפת, אנו צופים שיפור כולל ביעילות הכללית", הוא אמר. "כמות האנרגיה שאכן מגיעה לתוך התא היא נמוכה יחסית בשלב זה מפני שחלק גדול ממנה מתבזבז על המעטפת"
מעבר ליעילות המשופרת שנובעת מהמרה ישירה של אנרגיה מכנית לכימית, משקלו ונפחו של תא הכוח נמוכים מאשר אלה של גנרטורים וסוללות המאוחסנים בנפרד. ניתן להפיק אנרגיה מכנית מהליכה, צמיגי רכב המכים בכביש, רתימת גלי הים או תנודות מכניות.
"יום אחד נוכל להחזיק במערכת לייצור אנרגיה המסוגלת לנצל את הגישה ההיברידית הזו", וואנג המשיך. "כמעט כל דבר העושה שימוש בפעולה מכנית עשוי לספק את הלחץ הנדרש לטעינה. אנשים מהלכים יוכלו לייצר חשמל בזמן שהם בתנועה"
הרעיון של ייצור ושמירת האנרגיה במקום אחד, בלי צורך בקרבה למקור מתח הוא רעיון נהדר. ניידות תגיע לרמות חדשות, בעיקר (וסביר להניח בלעדית, לפחות בשנים הראשונות) במכשירים קטנים כמו נגני מוסיקה, טלפונים ניידים, וטאבלטים. בהמשך סביר להניח כי הטכנולוגיה תשתפר ותוכל לשמש למחשבים ניידים, ואולי אף לטעינת רכבים חשמליים בצורה כזו או אחרת. אחת מהאפשרויות המצויינת בסרטון היא שימוש בקול בשביל ייצור הרעדים הנדרשים – אולי זו תהיה הדרך לייצור חשמל בעתיד – לעשות רעש?
האם ייצור האנרגיה יהפוך ליעיל מספיק בשביל הטלפונים והטאבלטים שלנו? או שאולי זו לא הדרך בה עולם האנרגיה יבחר? שתפו אותנו בדעתכם בתגובות!
