סוללות ליתיום-יון טובות פי 10 בדרך?

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן פיתחה טכנולוגיה שתאפשר להכפיל את אורך חיי הסוללות שלנו פי 10, וגם לקצר את זמן הטעינה הדרוש לכדי עשירית

החומרה שבתוך הסמארטפונים והטאבלטים אולי מעניקה להם יכולות שלא מפסיקות להדהים אותנו בכל פעם מחדש, אך נראה שכל זה בא על חשבון ריגרסיה באורך חיי המכשירים – בימינו, להסתובב עם מטען בהישג יד בקביעות זו פעולה לגיטימית, וזה עוד מבלי שהזכרנו בכלל את המגבלות של מחשבים ניידים או מכוניות חשמליות.
התלות הנרחבת הזו של כולנו בסוללות הליתיום-יון מאתגרת את טובי המוחות ברחבי העולם, שמנסים למצוא את פריצת הדרך שתהפוך את העולם הטכנולוגי שלנו להרבה יותר נייד ונוח (על חלק מהנסיונות הללו קראתם אצלנו כאן).

עתה זהו תורה של קבוצת מדענים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן (Northwestern University), אשר טוענת כי פיתחה שיטה שתוכל להביא לשיפור אדיר במאפייני סוללות הליתיום-יון.

אורך חיי הסוללה מוכתב בידי כמות יוני הליתיום אותם מסוגלות "לתפוס" האנודה והקתודה, מה שמכונה גם צפיפות המטען שבסוללה.
סוללות הליתיום-יון אשר נמצאות בשימוש כיום מכילות קתודה ואנודה אשר עשויות משכבות רבות של גרפן, אשר למרות אינספור התכונות הייחודיות שלו נתון למגבלות פיזיקליות משלו – נדרשים שישה אטומי פחמן (מהם עשוי הגרפן) בכדי לאכלס אטום ליתיום בודד.
סיליקון, למשל, מסוגל לעשות את אותה הפעולה בצורה יעילה הרבה יותר – כל אטום סיליקון מסוגל לאכלס ארבע אטומי ליתיום. הקאץ'? אטומי הסיליקון נוטים להתנפח ולהתכווץ בתהליך הטעינה, מה שגורם לבלאי מואץ שלא מאפשר יישום מסחרי של אלטרנטיבה זו (לפחות עד שהחבר'ה האלו לא יקחו את המושכות לידיים).

אילוסטרציה של הטכנולוגיות החדשות – השאלה הבוערת, כמו תמיד, היא מה יהיה מחיר הפיתוח והייצור של סוללות מהזן החדש

המבנה האטומי הדקיק והארוך של הגרפן הוא זה שמשפיע על הזמן הדרוש לטעינת הסוללות – הזמן שדרוש לאטומי הליתיום בכדי להסתדר בין שכבות הגרפן.

קבוצת החוקרים המדוברת מצאה דרך להתגבר על שתי מגבלות אלו בעת ובעונה אחת – ראשית, הם דחסו אשכולות של אטומי סיליקון בין שכבות הגרפן, מה שמאפשר לעשות שימוש ביכולות האכלוס המרשימות שלהם מבלי לדאוג (יותר מדי) בנוגע לבלאי, תודות לגרפן העמיד שעוזר לשמור על המבנה הכולל של האנודה.

בנוסף לכך, החוקרים עשו שימוש בחמצון כימי (chemical oxidation) בכדי ליצור ננו-חורים בשכבות הגרפן, שגדולים מספיק בכדי לשמש כ"קיצור דרך" עבור אטומי הליתיום מבלי לפגוע בקשיחות מבנה הגרפן – ובכך האיצו את מהירות הטעינה של הסוללה.
שילוב של שתי השיטות הללו יחד הניב תוצאות מרשימות במיוחד – סוללה בעלת צפיפות מטען הגבוהה פי 10 מסוללות הליתיום-יון העכשוויות, שגם נטנעת פי 10 יותר מהר.

החוקרים הוסיפו וסיפרו כי גם אחרי 150 מחזורי טעינה (שאמורים להספיק להרבה יותר זמן ממה שהתרגלנו, תודות לצפיפות המוכפלת) הציגה הסוללה יכולות אחסון הטובות פי 5 מסוללות הליתיום-יון שזמינות כיום. מדובר אמנם בבלאי משמעותי למדי, אך עבור אב-טיפוס ראשוני עדיין מדובר בנתונים מבטיחים בהחלט.

אנשי נורת'ווסטרן מאמינים כי ניתן יהיה להביא את הטכנולוגיות המרשימות הללו אל השוק בתוך שלוש עד חמש שנים – כעת רק נותר לנו להחזיק אצבעות ולקוות שהם ימצאו את המשקיעים הנכונים, שיעזרו ליצור מהפך בהרגלי הטעינה שלנו.