חוקרים מצאו פתרון שעשוי לאפשר ייצור סוללות יעילות, זולות ונקיות, מהנתרן המצוי במלח פשוט
כל ישראלי מבוגר מספיק זוכר איך בבחירות 1981 סיפר שר הכלכלה והתכנון יעקב מרידור על "הנורה שתאיר את כל רמת גן" – רעיון מפתה ומבטיח, להפקת אנרגיה זולה ונקייה. למרבה הצער, עד מהרה התברר שהשר נפל קורבן לתרמית ואין באמת פתרון קסם שמספק אנרגיה רבה משום מקום. עם זאת, התקווה שהניעה את מרידור שרירה וקיימת עד היום בלב כל אדם החרד לעתידנו. האנושות זקוקה נואשות למקורות אנרגיה בני קיימא.
אחת הדרכים לחסוך באנרגיה היא לצמצם את הבזבוז שלה, על ידי אחסון עודפי האנרגיה שאנחנו מייצרים לשימוש במועד אחר – למשל בסוללות יעילות. סוללה היא תא אלקטרוכימי, כלומר התקן שמסוגל להפוך אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. רוב הסוללות שמוכרות לנו בחיי היומיום מבוססות על תמיסה מוליכה (אלקטרוליט) שטבולות בה שתי אלקטרודות – אנודה וקתודה. לקתודה יש מטען חשמלי שלילי ולאנודה מטען חשמלי חיובי. החלקיקים נושאי המטען נעים בין האלקטרודות, בתוך התמיסה המוליכה, והפרש הפוטנציאלים שנוצר בין הצדדים יוצר זרם חשמלי.
אחת הסוללות הנפוצות כיום, שבין מפתחיה היה המדען זוכה פרס נובל ג'ון גודאינף, היא סוללת הליתיום-יון: זוהי סוללה נטענת, כלומר סוללה שהתהליכים הכימיים בה הפיכים ומתרחשים באופן מחזורי. איכות של סוללה נמדדת על פי אורך מחזורי הפריקה והטעינה: ככל שמחזורי הפריקה והטעינה שלה ארוכים יותר, היא נחשבת טובה יותר ומשך החיים שלה ארוך יותר. סוללת הליתיום-יון משמשת כיום בכלי רכב חשמליים ובמתקנים לאגירת חשמל. הבעיה היא שליתיום הוא יסוד נדיר למדי בטבע. המרבצים העיקריים שלו מרוכזים ביבשת אמריקה הדרומית, ועוד מרבצים קטנים יותר קיימים באוסטרליה ובארצות הברית. כולם עלולים להידלדל במהירות ככל שיגדל הביקוש לסוללות.
הראשון שיצר בהצלחה מודל שמסביר את השכבה המוליכה שעומדת בבסיס פעולתן של סוללות ליתיום-יון היה פרופ' עמנואל פלד מאוניברסיטת תל אביב, שזכה בפרס ישראל לחקר הכימיה. המודל מניח שהצעד המשמעותי ביותר בקביעת קצב תהליך השיקוע וההמסה של ליתיום – כלומר, טעינה ופריקה של הסוללה – הוא נדידה של יון הליתיום בתווך המוצק שנוצר מתגובה ספונטנית של התמיסה המוליכה עם הליתיום. המודל המורחב מבאר את התנאים המשפיעים על משך חיי הסוללה, ומציע דרכים ושיטות להאריכם. בשנת 2019, כשהוענק פרס נובל בכימיה למפתחי הסוללה, ציינה ועדת הפרס את תרומתו של פלד – שאחראי לעוד שורה ארוכה של פיתוחים טכנולוגיים חדשניים אחרים.
סוללה נפוצה שאפשר לטעון אותה שוב ושוב. סוללות ליתיום-יון | Juan Roballo, Shutterstock
מטען עשיר בנתרן
המחקר החדש שם על השולחן הצעה חדשה ובלתי שגרתית: סוללת נתרן מוצקה ללא אנודה. לדברי גרייסון דיישר (Deysher) מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, הכותב הראשי של המאמר שפורסם בכתב העת Nature Energy: "אף על פי שכבר היו בעבר סוללות נתרן, סוללות מוצקות וסוללות ללא אנודה, איש לא הצליח לשלב עד כה את שלושתן יחד". למחקר שותפה גם יינג שירלי מֶנְג (Meng) מאוניברסיטת שיקגו וחוקרים נוספים משני המוסדות.
במה הנתרן עולה על הליתיום? ראשית, יש ממנו הרבה יותר – הוא נפוץ בטבע פי אלף יותר מליתיום. בנוסף, הפקת הליתיום פוגעת בסביבה, בין השאר בשל הצורך להשתמש בחומצות להפקת היסוד מהעפרות. לעומת זאת, נתרן אפשר להפיק ממלח ים פשוט.
סוללות הנתרן-יון הקיימות כיום דומות מאוד במבנה שלהן לסוללות ליתיום-יון. אבל השימוש בהן דל והן לא תופסות נתח משמעותי משוק האנרגיה, מאחר שצפיפות האנרגיה שלהן, כלומר סך כול האנרגיה חלקי נפח המרחב, נמוכה ומחזורי הפריקה והטעינה שלהן קצרים מדי.
כאן נדרש שינוי מחשבתי. במקום להשתמש באנודה כחלק ממבנה הסוללה, מציעים החוקרים לאחסן את היונים שנוצרים בתהליך – החלקיקים הטעונים – על גבי משקע מתכתי מוצק שנוצר ישירות על הקתודה. במאמר הם מראים שכך נוצר בתא האלקטרוכימי מתח חשמלי גבוה יותר, צפיפות האנרגיה גדלה ומחזורי הטעינה והפריקה מתארכים.
בדרך לשם נדרשו החוקרים לצלוח מכשול נוסף. "בכל סוללה ללא אנודה חייב להיות מגע טוב בין האלקטרוליט לבין אספן הזרם [הקתודה; י"ב]. כשמשתמשים באלקטרוליט נוזלי זה קל מאוד בדרך כלל, מכיוון שהנוזל יכול לזרום לכל מקום ולהרטיב כל שטח פנים. אלקטרוליט מוצק לא יכול לעשות את זה", סיפר דיישר.
הפתרון היצירתי שהציעו החוקרים מבוסס על אבקת אלומיניום שמתפקדת כקתודה הלכה למעשה, כשהיא עוטפת את האלקטרוליט המוצק אחרי שהודקה אליו בלחץ גבוה. הגישה הנקוטה ברוב הסוללות היא הפוכה: אלקטרוליט הוא זה שמקיף את הקתודה. האבקה הזו היא מצד אחד מוצקה ומצד שני יכולה לזרום כמו נוזל וליצור שטח מגע משמעותי.
אם כן, השיטה המבטיחה משלבת שלושה עקרונות קיימים, אשר יוצרים שלם גדול מסכום חלקיו. מנג, שרואה בפרויקט הנוכחי צעד משמעותי לקראת עתיד מבטיח, המבוסס על סוללות נקיות, זולות ומתחדשות, כבר אצה רצה לרשום פטנט בשיתוף עם דיישר. הצלחתם תהיה הצלחתנו.
