מהפכת הסוללות הנטענות:
נובל כימיה 2019

פרס נובל בכימיה יוענק השנה לשלושה מדענים מארצות הברית ומיפן, על פיתוח של סוללות ליתיום-יון. הסוללות הנטענות היעילות הפכו מרכיב מרכזי בחיינו, ומפעילות כיום טווח עצום של מכשירים אלקטרוניים וחשמליים, מטלפונים חכמים ומחשבים ניידים ועד כלי רכב חשמליים. הפרס יחולק באופן שווה בין פרופ' ג'ון בניסטר גודינף (Goodenough), פרופ' מייקל סטנלי וויטינגהאם (Wittingham) ופרופ' אקירה יושינו (Yoshino). התגליות שכל אחד מהם עשה בנפרד איפשרו בסופו של דבר את פיתוחן של הסוללות המתקדמות, שנכנסו לחיינו לפני כמעט שלושה עשורים, והיו אבן דרך חשובה בקפיצת הדרך הטכנולוגית של שנות ה-2000. 

הסוללות שהניחו את הבסיס למהפכת האלקטרוניקה. משמאל: גודינאף, ויטינגהם ויושינו | איורים: אתר פרס  נובל

אבץ ונחושת

הסוללה הראשונה באה לעולם בניסויים שעשה המדען האיטלקי אַלֶסָנְדְרוֹ ווֹלְטָה (Volta) בשנת 1800. הוא גילה כי אם מניחים לוחות של אבץ או נחושת (או בדיל וכסף), וביניהם בד ספוג בחומצה או בתמיסת מלח, נוצר זרם חשמלי בתיל המקשר בין הלוח התחתון לעליון. הוא העמיד עשרות לוחות כאלה בהתקן שקיבל את השם "ערימה וולטאית", והצליח ליצור מתח של וולט אחד בערך - יחידה הקרויה כיום על שמו - לפרק זמן מסוים, עד שהסוללה הפסיקה לפעול. 

מנגנון הפעולה של הערימה הוולטאית הוא הבסיס לפעילותן של כל הסוללות: החומר שבתמיסה מחמצן את האטומים באחת האלקטרודות, המכונה "אנודה", וגורם לה לפלוט יונים חיוביים לתמיסה, ולשחרר אלקטרונים. בערימה הוולטאית האנודה היא לוחיות האבץ, והן פולטות אל התמיסה יוני אבץ חיוביים (⁺Zn²). התמיסה יוצרת מטען חשמלי חיובי באלקטרודה השנייה, ה"קתודה", והאלקטרונים, שנמשכים אליו, נעים לכיוון הקתודה בדרך הנוחה ביותר מבחינתם - חוט מוליך. כשהם מגיעים, הנחושת מוסרת אותם לחומרים בתמיסה, כלומר מבצעת תהליך של חיזור. הפרש המטענים בין האלקטרודות הוא המתח, והתנועה של האלקטרונים בין האנודה לקתודה היא הזרם החשמלי. באופן כללי, מתח גבוה יותר יספק לסוללה זרם חזק יותר. 

הפיתוח של וולטה הניח את היסודות לייצור הסוללות הראשונות, שנקראו תאים וולטאיים (או תאים גלווניים). בתאים האלה הייתה הפרדה בין התמיסות של האנודה והקתודה, והן חוברו במתקן המכונה "גשר מלח", שנועד להאריך את חיי התא באמצעות העברת יונים מתמיסה לתמיסה. אבל בגלל אופי התגובות הכימיות והרכב התאים האלה, התהליך שהתרחש בהם לא היה הפיך: אי אפשר להעביר זרם חשמלי בכיוון הפוך, מהקתודה לאנודה, להחזיר את האלקטרודות והתמיסות למצבן הקודם ולהתחיל שוב את תהליך ייצור החשמל. 

מגדל של לוחיות אבץ ונחושת איפשר את פיתוח הסוללה הראשונה. ערמה וולטאית | מקור: Science Photo Library

החיפוש אחר סוללה נטענת

הצעד הראשון לקראת פיתוחן של סוללות הפיכות נעשה באמצע המאה ה-19, כשכמה חוקרים, בראשם הפיזיקאי הצרפתי גַסְטוֹן פְּלַנְטֶה (Planté), פיתחו סוללת עופרת חומצה. בסוללה זו האנודה עשויה מעופרת (Pb) והקתודה מעופרת מחומצנת (PbO₂), והן טבולות בחומצה גופרתית (H₂SO₄). סוללות עופרת חומצה מייצרות מתח של כשני וולט, ובהעברת זרם חשמלי בכיוון הפוך אפשר לטעון אותן, כלומר להפוך את תהליכי החמצון והחיזור ולהחזיר את הסוללה לקדמותה. סוללות עופרת חומצה משמשות גם כיום כמצברים במכוניות, והן מייצרות מתח של 12 וולט בזכות סידור של ששה תאים כאלה. 

בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 באו לעולם הדורות הבאים של סוללות נטענות, על בסיס ניקל-ברזל (Ni-Fe) וניקל קדמיום (Ni-Cd). הם היו קטנות יותר, אך גם חזקות פחות מסוללות העופרת-חומצה, ובדרך כלל החזיקו מעמד הרבה פחות מחזורי טעינה. 

מדענים המשיכו כל העת לחפש חומרים שיאפשרו פיתוח סוללות נטענות חזקות, קלות ויעילות, ואחד המועמדים הבולטים היה הליתיום (Li). היסוד השלישי בטבלה המחזורית הוא המתכת הקלה ביותר, ולכן עשוי להיות יעיל ביותר בסוללות. יש רק בעיה קלה: ליתיום טהור מגיב בעוצמה רבה עם מים ועם אוויר, וגורם להתלקחות. בשנות ה-60 של המאה העשרים גילו כמה חוקרים כי חומרים על בסיס קרבונט (H₂CO₃), עשויים לספק סביבה בטוחה לסוללות על בסיס אלקטרודות ליתיום. 

סוללות במקום נפט

באותה תקופה החלה לעלות גם המודעות לזיהום הסביבה, בפרט זיהום האוויר, וחִצי האשמה כוונו במידה רבה לחברות האנרגיה, שייצרו ושיווקו את הדלקים המזהמים, בעיקר על בסיס נפט. כדי להתמודד עם הטענות החלו החברות האלה להשקיע משאבים רבים במחקר שיוביל לפיתוח מקורות אנרגיה חלופיים, וגייסו מדענים רבים מהאקדמיה. אחד מהם היה מייקל סטנלי ויטינגהם, שנולד בבריטניה ב-1941. ויטינגהם למד כימיה באוניברסיטת אוקספורד, שם גם המשיך לתואר שני ולדוקטורט. ב-1968 יצא להשתלמות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה, וב-1972 הצטרף ויטינגהם למחלקת המחקר של תאגיד האנרגיה אֶקְסוֹן (Exxon), לקבוצה שעסקה בחיפוש דרכים לפתח סוללות יעילות יותר. 

בסטנפורד עסק ויטינגהם בין השאר בפיתוח חומרים מוצקים בעלי חללים בגודל של אטום בערך, כך שיונים יכולים להיקשר אל החומר ולשנות את תכונותיו. תהליך כזה מכונה החדרה (intercalation), והוא הפיך - כלומר היונים יכולים להשתחרר מהחומר בתנאים מתאימים. ויטינגהם הוביל פיתוח של קתודה מטיטניום גופריתי (TiS₂), תרכובת שכאשר מחדירים אליה יונים חיוביים, המוליכות שלה משתפרת מאוד. כשחיפש אנודה מתאימה, החליט שאפשר להשתמש בליתיום - המוסר אלקטרון בנדיבות רבה, כלומר מתחמצן בקלות. יוני הליתיום החיוביים שנוצרים בתמיסה הקרבונטית נודדים אל הקתודה, עוברים החדרה, ומשפרים את המוליכות. ניסויים העלו כי סוללה כזו מייצרת מתח גבוה יחסית, כשני וולט, בדומה לסוללות העופרת-חומצה הכבדות והמסורבלות. כשמעבירים זרם הפוך בסוללה כזו, יוני הליתיום משתחררים מהקתודה וחוזרים לאנודה, מה שלמעשה מחזיר את הסוללה למצב הראשוני, כלומר, טוען אותה מחדש. 

תגובה כימית מסוכנת. ליתיום גורם להתלקחות במגע עם מים | צילום: Science photo Library

סוללות מתפוצצות

ב-1976 הציגה חברת אקסון את הסוללה הנטענת המבטיחה שפיתח ויטינגהם. אבל הסוללה הזו גם סבלה מכמה בעיות - העיקרית שבהן הייתה שלאחר ההטענה מחדש יוני הליתיום לא נצמדו לאנודה בדיוק במקום שממנו יצאו מלכתחילה. האנודה גידלה בהדרגה מעין "ענפים" של ליתיום לכיוון הקתודה, וכשהן נגעו זו בזו נוצר קצר בסוללה, שאף גרם לא אחת לפיצוצים. הוספה של אלומיניום לאנודה פתרה חלקית את הבעיה, אך בינתיים התמודדה החברה עם בעיות מתחום אחר לגמרי. 

בעקבות משבר האנרגייה העולמי של 1973 השקיעו חברות אירופיות ואמרקאיות מאמצים בגילוי מרבצי דלק - פחם, נפט וגז טבעי - מחוץ למפרץ הפרסי, וההצלחה גרמה לירידה חדה במחירי הנפט, ובעקבותיה לצמצום ניכר בהכנסות של חברות הדלק. ב-1980 החליטה אקסון לבטל את פיתוח סוללת הליתיום, ומכרה את הזכויות על ההמצאה לחברות אחרות. ויטינגהם עצמו עזב את החברה ב-1984, ואחרי כמה שנים בחברת אנרגיה אחרת החליט לחזור לאקדמיה וקיבל משרת פרופסור באוניברסיטת בינגהמטון בניו יורק, שם הוא עובד עם היום. 

שינוי מהפכני בגודל, במשקל ובעוצמה. סוללת ליתיום-יון מודרנית | צילום: Shutterstock

קתודה טובה מספיק

ג'ון גודינאף (Goodenough) נולד ב-1922 בעיר יֶנָה שבגרמניה, שם שהו הוריו האמריקאים לצורך עבודת הדוקטורט של אביו, שחקר היסטוריה של דתות ובעיקר התעניין בהשפעת ההלניזם על היהדות. בניגוד לאביו, ג'ון התקשה בקריאה ולא נמשך למדעי הרוח, לכן פנה ללימודי מתמטיקה באוניברסיטת יֵל. כשסיים בהצטיינות ב-1944 גויס לצבא, ושירת כחזאי מזג אוויר עד לסיומה של מלחמת העולם השנייה. המפגש עם איתני הטבע הרחיב את תחומי העניין שלו, והוא החליט להמשיך את לימודיו דווקא בפיזיקה. ב-1952 סיים לימודי דוקטורט באוניברסיטת שיקגו, והחל לעבוד במעבדה של חיל האוויר האמריקאי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), שם למד להכיר מקרוב את תחום החומרים ואף היה שותף לפיתוח רכיבים לזיכרון של מחשבים. בשנות ה-70, בהשפעת משבר האנרגייה, החל גודאינף להתעניין בתחום של פיתוח מקורות אנרגייה חלופיים, אך המעבדה לא עסקה בכך ולא איפשרה לו לעשות זאת בעצמו. לכן, כשהוצעה לו משרת פרופסור לכימיה אי-אורגנית באוניברסיטת אוקספורד הבריטית, עבר לשם והחל לחקור את נושא הסוללות. 

כפיזיקאי, גודינאף היה משוכנע שאפשר להגדיל מאוד את תפוקת האנרגיה של הסוללה שפיתח ויטינגהם, באמצעות שימוש בחומרים אחרים בקתודה. הידע שלו על מעבר אלקטרונים בחומר מוצק איפשר לו להעריך מראש אילו חומרים יהיו עשויים להתאים, ולסרוק אותם באופן שיטתי. עד מהרה הוא גילה כי קתודה מתחמוצת קובלט (CoO₂) במקום תרכובת הטיטניום מאפשרת לייצר סוללת ליתיום בעלת מתח של ארבעה וולט - כפליים מהסוללה של ויטינגהם. ב-1980 הוא פרסם מאמר המציג את הסוללה החדשה ואת תכונותיה, אך הפרסום לא עורר עניין רב, משום שמחירי הנפט המשיכו לרדת, והפיתוח של מקורות אנרגיה חלופיים נדחק לשוליים. 

ב-1986 עזב גודינאף את אוקספורד והצטרף לאוניברסיטת טקסס באוסטין, שם המשיך לעבוד במרץ גם הרבה אחרי גיל הפרישה. בגיל 97 הוא חתן פרס נובל המבוגר בהיסטוריה. הוא עוקף את ארתור אשקין, שהיה בן 96 כשקיבל בשנה שעברה את פרס נובל בפיזיקה על פיתוח המלקחיים האופטיים. עם זה, לא ברור מה מצבו הבריאותי ואם יגיע לטקס הענקת הפרסים בדצמבר. 

שינוי הדרגתי. תרשימי הפיתוחים של ויטינגהם (משמאל), גודינאף (במרכז) ויושינו (לחצו להגדלה) | מקור: אתר פרס נובל

יפני, קל ובטוח

תהליכים אחרים התרחשו בינתיים בצד השני של העולם: יפן החלה למצב עצמה כמובילה עולמית בתחום האלקטרוניקה. שכלול המכשירים האלקטרוניים הוביל למזעורם, ומי שהרחיק ראות הבין שהמכשירים האלה יהיו זקוקים לסוללות קטנות ורבות עוצמה. אחד מהם היה המהנדס אַקִירָה יוֹשִינוֹ (Yoshino) מתאגיד האלקטרוניקה אַסַהִי קַאֶסִי. יושינו נולד ב-1948 סמוך לעיר אוסקה ולמד הנדסה באוניברסיטת קיוטו. לאחר שהשלים שם תואר שני בהנדסה, ב-1972, החל לעבוד בקבוצת מחקר של תאגיד האלקטרוניקה. הוא חזה את הצורך בפיתוח סוללות נטענות קלות וחזקות, ובשנות ה-80 קיבל אישור להתחיל לפתח את הנושא. יושינו הכיר את הפיתוחים של ויטינגהם וגודינאף, והחליט להתמקד במציאות חומר חדש לאנודה, שיפתור את בעיית הקצרים הנוצרים בשל ענפי הליתיום, וישפר עוד את תפוקת האנרגיה. 

הרעיון של יושינו היה שימוש גם באנודה בחומר שיעבור החדרה של יוני ליתיום, במקום אנודה שעשויה כולה מליתיום. כך, בעת השימוש בסוללה יוני הליתיום ישתחררו מהאנודה וינועו אל הקתודה, ובעת הטעינה ישובו אל האנודה. הוא חיפש חומרים מתאימים וב-1985 ניסה חומר בשם קוֹק-נֵפְט (petroleum coke), תרכובת פחמן שהיא תוצר לוואי של תעשיית הדלק. עם הקתודה הזו ועם אנודת הקובלט של גודאינף הוא השיג מתח דומה של ארבעה וולט ואפילו מעט יותר, ופיתח סוללה קלה ויעילה. לסוללה של יושינו היו שני יתרונות נוספים: העובדה שבשתי האלקטרודות היוני עברו החדרה האריכה מאוד את חייה ואיפשרה מאות מחזורי טעינה בטרם ביצועי הסוללה פחתו, והעובדה שלא היה בה ליתיום טהור באנודה שיפרה מאוד את הבטיחות: ב-1986 הוא הדגים זאת כשמחץ סוללות תחת משקל כבד והראה שהן אינן מתלקחות. 

יושינו המשיך למלא תפקידים בכירים בתאגיד, ובין השאר ניהל את מיזם הסוללות של התאגיד, שנעשה בשיתוף עם חברות אחרות. כמו כן הוא מונה - בצדק - לחקור את הכדאיות של פרויקטים עתידיים. עם זאת, הוא חש צורך להשלים את השכלתו הרשמית, ובגיל 57 השלים דוקטורט בהנדסה באוניברסיטת אוסקה, במקביל לעבודתו בתאגיד. 

הסוללות שמניעות את העולם

בעקבות הגילוי החלה החברה של יושינו לעבוד על פיתוח גרסה מסחרית של סוללות הליתיום-יון, וב-1991 החלו להימכר הסוללות הראשונות. הסוללות כיום מורכבות מיריעות דקיקות של חומרי האנודה והקתודה, וביניהן שכבות של תמיסת המעבר, לרוב בצורת ג'ל. הדור החדש של סוללות היה קרש קפיצה משמעותי למהפכת האלקטרוניקה: הן שימשו במחשבים ניידים, בנגני מוזיקה קטנים ובטלפונים ניידים, ואיפשרו בסופו של דבר את שילוב שלוש הפונקציות האלה, לצד רבות נוספות, בטלפונים החכמים ששינו את העולם. 

במשך השנים שעברו מאז המשיך השכלול של הסוללות האלה. ביוזמת גודינף הוחלפו קתודות הקובלט בקתודות על בסיס זרחן, חומר זול יותר, זמין וידידותי יותר לסביבה. כמו כן נעשו שכלולים נוספים בהרכבי שתי האלקטרודות והתמיסה ביניהן, ושופר העיצוב שלהן, כדי לאפשר פעילות יעילה יותר. מכיוון שהסוללות עדיין מכילות ליתיום, בעיות בטיחות עדיין עלולות לצוץ במצבים כמו טעינת יתר או חשיפת הסוללה לאש וחום, או בעקבות פגמים בייצור, אך בשנים האחרונות מספר התאונות הקשורות בסוללות אלה פחת מאוד. 

כיום סוללות ליתיום-יון משמשות לא רק במכשירים אלקטרוניים. גם מכשירים חשמליים רבים, משואבי אבק ביתיים ועד כלי עבודה מקצועיים כמו מקדחות ומסורים מבוססים על האנרגיה שמספקות הסוללות האלה, דבר שאיפשר להם להפוך  למכשירים ניידים נוחים. מכוניות חשמליות רבות מבוססות גם הן על סוללות ליתיום יון, ומהפכת כלי הרכב הדו-גלגליים החשמליים, כמו אופניים וקורקינטים, התחוללה במידה רבה בזכות הפיתוח הזה. אפשר בהחלט לומר שהסוללות הנשענות על הפיתוחים של ויטינגהם, גודינאף ויושינו, מניעות כיום את העולם. 

הכרזת ועדת הפרס על חתני פרס נובל בכימיה, 2019: