פי חמש אנרגיה, חמישית המחיר, ושיהיו מוכנות תוך חמש שנים. מישהו במשרד האנרגיה האמריקאי קובע לוח זמנים צפוף ומרובה חמישיות למכרז שהם הוציאו
חמש אוניברסיטאות כבר נבחרו להתמודד במכרז, יחד עם מספר מעבדות לאומיות, וחברות פרטיות.
סטיבן צ'ו, מזכיר משרד האנרגיה האמריקאי מכוון לאווירה דומה לזו של "פרוייקט מנהטן", אך עם תקציב של 120 מיליון דולר בלבד, ובלי מוטיבציה של אויב בשער, מהם הסיכויים להצלחה?
מרכזת הסוללות ואחסון האנרגיה, כפי שהפרויקט מכונה, שאפתני ביותר במיוחד לאור התקציב הנמוך יחסית שהוקצה עבורו.
הטכנולוגיה הנוכחית שבה משתמשות סוללות כימיות כבר ותיקה למדי, ומתחרה רציני שעשוי לעמוד בלוח הזמנים שהוצב, עדיין לא נראה באופק.
פי כמה יותר אנרגיה? |
אפשרויות אקזוטיות כגון שימוש בנאנו-צינוריות פחמן או גראפין, כבר נבדקו כחומרים אפשריים לאנודה, ואף אפשרויות כמעט דמיוניות כמו שימוש בוירוסים להרכבה עצמית של אלקטרודות נבחנו, אך אלו רעיונות שטרם הגיעו לשלב ההוכחה.
כדי להגיע לרמת הביצועים הנדרשת, צריך משהו שאף אחד עדיין לא חשב עליו, או פשוט לא חשף את קיומו לעולם עד כה.
אפשרות אחת שנותנת בערך פי שתיים אנרגיה (בהשוואה לטכנולוגיה הנוכחית של ליתיום-יון) היא שימוש באלומיניום-יון. אלומיניום יון מחזיק צפיפות אנרגיה של כ-1 kW-hw/kg לעומת 0.4 kW-hw/kg שנותן ליתיום-יון. לאלומיניום יש את היתרון של החזקה בשלושה אלקטרונים מקשרים (Valence Electron – אלקטרון המאפשר חיבור בין שני אטומים שונים), לעומת ליתיום שמחזיק רק אלקטרון מקשר אחד. התוצאה היא שתגובות הטעינה והפריקה של סוללת אלומיניום יכולות להעביר פי שלושה יותר אלקטרונים ולכן זרם חזק פי שלושה לכל יחידה כימית.
לסוללות מתכת-יון יש חסרונות משלהן: הן אינן ניתנות לפריקה מלאה, והן עלולות להפוך למסוכנות לאחר חבטה – מקרה מדווח אחד היה של שברולט וולט שעלתה באש שלושה שבועות לאחר מבחן התהפכות לרכב.
לשם נקודת השוואה: בנזין מחזיק צפיפות אנרגיה של 13 kW-hw/kg – כל עוד מתעלמים מבעיות הרעש והזיהום שהוא גורם. בכדי להתחרות ברצינות ביכולת כזו, צריך לעבור לסוללות מתכת-אוויר שיודעות להפיק חשמל על ידי תגובה עם החמצן באטמוספירה. אך סוללות כאלה אינן ניתנות לטעינה מחדש בקלות.
בכדי לטעון סוללה כזו, צריך להעביר אותה לסביבה אטומה. הקתודה דורשת חמצן, אך יעילותה יורדת ככל שהלחות גבוהה יותר. הקתודה גם דורשת שטח פנים עצום, מה שהופך תכנון סוללה קומפקטית למשימה לא פשוטה כלל.
סוללות אלומיניום-אוויר הן עוד טכנולוגיה מבטיחה, שכבר נעשה בה שימוש ברכבים צבאיים. אלומיניום נפוץ יותר, מוכר, והרבה פחות בעייתי מאשר ליתיום (שהוא מזהם סביבתי ידוע). עם זאת, אנודת האלומיניום אינה ניתנת לטעינה מחדש – כי היא מאוכלת על ידי התגובה עם החמצן שבקתודה. הקתודה השרויה באלקטרוליט מבוסס מים, ממירה את האלומיניום לתחמוצת אלומיניום מימית והסוללה מאבדת לאיטה את היכולת לייצר חשמל. מחזור אנודת האלומיניום אפשרי, אך אינו תהליך שפשוט לבצעו על הרכב עצמו. כמו כן, צריך לזכור במהלך תכנון רכבים מבוססי סוללת מתכת-יון כי סוללות כאלה סופחות חמצן במהלך פעולתן, ולכן המסה שלהן גדלה ככל שהן מתרוקנות מאנרגיה.
עוד בעיה היא, שסוללות אלומיניום-אוויר משחררות מימן. המימן חייב להיאסף או להשתחרר בצורה בטוחה, אחרת הוא עלול להוות סכנה בהיותו נפיץ.
אבל, אם נחזור לליתיום-יון, חוקרים באוניברסיטת וושינגטון, פיתחו סוללת ליתיום-יון שמכילה פי שלוש יותר אנרגיה מסוללת ליתיום-יון רגילה.
גרנט נורטון ותלמידו, דייויד מק'קיי |
ד"ר מ. גרנט נורטון מספר כי הייחוד של הטכנולוגיה החדשה הוא באנודה חדשה שמכילה עד פי שלוש יותר אנרגיה מאשר האנודות הנוכחיות שמבוססות על פחמן. משמעות הדבר עשויה להיות טלפונים ומחשבים ניידים עם זמן פעולה משולש מהנוכחי.
"בדיל מסוגל לאגור הרבה יותר ליתיום מאשר פחמן, ועובדה זו מבוססת על מחקר שנעשה הרבה לפני שהתחלנו את המחקר שלנו. כבר בשנות התשעים המאוחרות, נעשה בסטאנפורד מחקר שזיהה בדיל כבעל יתרון ביצועים משמעותי על פחמן, תיאורטית. מחקר שנעשה מאז שנת 2000 ועד עכשיו הדגים שבזמן שבדיל הוא חומר עליון על פני פחמן, אי יציבותו מקצרת את חיי האנודה."
"מה שאנחנו, באוניברסיטת וושינגטון עשינו הוא למצוא דרך להקטין את הבעיות הקשורות לאי היציבות המקצרת את חיי אנודת הבדיל. מצאנו דרך להאריך את מחזורי הטעינה והפריקה ולשמר את רמות האנרגיה הגבוהות בהשוואה למחקרים של קבוצות אחרות. אנחנו טיפלנו בהתפרקות הבדיל על ידי גידול מבנה ייחודי של נאנו-סיכות בדיל שהפקנו על ידי גילוון על רדיד נחושת, דבר שייצב את התאים בצורה מאוד משמעותית."
הסופר סוללה החדשה | נאנו סיכות בדיל |
"אנו עשינו בדיקות משלנו על הסוללות, ועכשיו אנחנו מתכוונים לספק סוללות לגוף חיצוני שיאשר את הבדיקות שלנו בצורה עצמאית. השלב הבא יהיה הקמת חברה חיצונית שתשמש לאוניברסיטה עבור רישוי הטכנולוגיה ותקדם את הפיכתה למסחרית"
בהמשך, נורטון סיפר מדוע הטכנולוגיה כה מהפכנית: "הדגמנו חומר שלא רק מציג ביצועים טובים יותר מאשר הטכנולוגיה הנוכחית, אלא גם זול יותר לייצור. החומר שלנו ניתן ליישום בתאים קיימים, כך שיצרני הסוללות לא יצטרכו לשנות דבר אלא רק להחליף את החומר המשמש לבניית האנודה, עם החומר שלנו"
"מבחינת גודל המהפיכה, אנו לא עוברים ממשהו שמחזיק 10 שעות ל-100 שעות, אך אנו מתכננים לעבור מ-10 שעות ל-30 שעות. זהו שינוי משמעותי וחשוב. וצריך לחשוב גם על העלויות שיירדו ויפתחו שווקים חדשים עבור סוללות ליתיום-יון".
נורטון הוסיף: "כמו כן, פתחנו בדיונים עם חברה המבוססת בדטרויט, והם סיפרו שעקב הירידה בביקושים מתעשיית הרכב, לאמריקה יש כושר ייצור עודף בתחום הגילוון. התהליך שלנו עשוי להתניע מחדש ייצור בתחום זה, וליצור הזדמנויות גדולות לתעשייה."
עולמנו המודרני פועל על חשמל, וסוללות הן הדרך היחידה לשמור עליו נייד, נקי ושקט. הבעיות הן רבות וקשות בעיקר בהתחשב בטכנולוגיה שנולדה לפני עשרות שנים והתקדמה בעיקר בסוג החומרים שבהם נעשה שימוש ולא בטכנולוגיה הבסיסית עצמה. אך השנים האחרונות מסכמות מחקרים ארוכים ונותנים מקום לתקווה שהשינוי הגדול כבר כמעט כאן.
האם תעשיית הסוללות תדביק את הפער הטכנולוגי? האם 120 מיליון דולר יספיקו ליעד שאפתני שכזה? שתפו אותנו בדעתכם בתגובות!