בגל הנוכחי של פיתוח נמרץ של טכנולוגיות אנרגיה חדשות, סוללת מצב מוצק, כטכנולוגיית סוללות מהדור הבא מבטיחה, משכה תשומת לב נרחבת מכל תחומי החיים. מכיוון שהדרישות של אנשים לסיבולת של מכשירים אלקטרוניים וטווח הנסיעה של כלי רכב חשמליים ממשיכים לגדול, והדגש שלהם על ביצועי בטיחות הסוללות גדל מיום ליום, סוללת מצב מוצק צפויה מאוד להתייחס לנקודות כאב רבות של סוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות מבחינת הבטיחות והטווח. עם זאת, לפני הפופולריות והיישום הגדול שלה, שאלה מרכזית נמשכת במוחם של הצרכנים: האם סוללת מצב מוצק בטוחה ומסוגלת לספק טווח ארוך? כדי לענות על שאלה זו, עלינו להתעמק במנגנון העבודה, במאפיינים הטכניים ובמחקר הנוכחי ומצב היישום של סוללות במצב מוצק.
עיקרון עבודה ומאפיינים מבניים של סוללת מצב מוצק
הפרש הליבה בין סוללת מצב מוצק לסוללת ליתיום-יון נוזלית מסורתית טמון בצורה של אלקטרוליט. סוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות מעסיקות אלקטרוליט נוזלי כדי להשיג את תהליך הטעינה והפרקה באמצעות תנועת יוני ליתיום בין האלקטרודות החיוביות והשליליות. לעומת זאת, סוללות במצב מוצק משתמשות באלקטרוליט מוצק, העשוי בדרך כלל מחומרי קרמיקה, פולימר או סולפיד. בסוללות במצב מוצק, יוני ליתיום גם מבצעים את האלקטרודה החיובית במהלך הטעינה ומתקיימים לאלקטרודה השלילית דרך האלקטרוליט המוצק; במהלך הפריקה הם נעים בכיוון ההפוך, בעוד שהאלקטרונים זורמים מהאלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית דרך המעגל החיצוני, ומייצרים זרם להפעלת המכשיר.
השימוש באלקטרוליט מוצק מקנה סוללות במצב מוצק עם מאפיינים מבניים ייחודיים. בהשוואה לאלקטרוליט נוזלי, הדורש מפריד כדי למנוע מעגל קצר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, לאלקטרוליט מוצק עצמו יש את הפונקציות הכפולות של הולכת יונים ובידוד אלקטרודות, מה שהופך את מבנה הסוללה לקומפקטי יותר. בינתיים, אלקטרוליט מוצק מציג יציבות גבוהה יותר ופחות נוטה להתנפצות ולדיילוף, ומניח בסיס לשיפור ביצועי בטיחות הסוללות.
ביצועי בטיחות של סוללה במצב מוצק
סוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות מהוות סיכון לברחה תרמית בתנאים בטמפרטורה גבוהה. כאשר טמפרטורת הסוללה עולה על סף מסוים, כגון 80 מעלות, האלקטרוליט הנוזלי עשוי להתפרק לייצור גזים דליקים, ותגובות לוואי בתוך הסוללה מתעצמות, מה שמוביל להצטברות מהירה של חום ובסופו של דבר גורם לסוללה לעלות באש או אפילו להתפוצץ. נתונים של סוכנות הבדיקה הגרמנית של Tüv חושפים בבירור את הסכנה הנסתרת הזו.
סוללות במצב מוצק מציגות יתרונות משמעותיים ביציבות תרמית. בגלל היעדרם של רכיבי נוזל נדיפים ודליקים באלקטרוליט מוצק, היציבות התרמית שלו גבוהה בהרבה מזו של אלקטרוליט נוזלי. מבחן הניקוב שנערך על ידי הארגון החדש לאנרגיה ופיתוח טכנולוגיה תעשייתית (NEDO) של יפן מרשים: כאשר מחט פלדה מפיקה סוללה במצב מוצק, טמפרטורת הסוללה עולה רק ב -2 מעלות, ואילו סוללת ליתיום-יון נוזלית מסורתית תביא לירות ותתפוצץ תוך 3 שניות בלבד. תוצאה ניסיונית זו מדגימה חזותית את הבטיחות המעולה של סוללות במצב מוצק לנוכח התעללות מכנית קיצונית.
במאמר שכותרתו "האם סוללות במצב מוצק בטוחות יותר מסוללות ליתיום-יון (נוזליות)?" החוקרים שפורסמו במדע באפריל 2022, דנו בשחרור החום ובמגבלות עליית הטמפרטורה של סוללות ליתיום-יון נוזליות, סוללות חצי-סולידיות עם כמות מסוימת של אלקטרוליט, וסוללות של כל המדינות המוצקות תחת שלושה תרחישים בורחים תרמיים. המחקר מצא כי במצב הבריחה התרמית הנגרמת כתוצאה מחימום חיצוני, סוללות כל-מצבים מוצקות עולות על סוללות חצי סולידיות ונוזליות. הצפיפות הגבוהה של האלקטרוליט המוצק בסוללות המצב המוצק יכול ליצור מחסום גז יעיל, למנוע מגע בין ליתיום באלקטרודה השלילית לחמצן המשתחרר מהאלקטרודה החיובית. בתרחיש ההיפותטי הזה, לא יהיה שחרור חום משמעותי.
עיכוב צמיחת ליתיום דנדריט
במהלך תהליך הטעינה והפרקה של סוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות, יוני ליתיום עשויים להתגבש ישירות על פני האלקטרודה השלילית במהלך טעינה מהירה, ויוצרים דנדריטים ליתיום מסוכנים. צמיחתם של דנדריטים ליתיום לא רק מובילה לריקבון קיבולת הסוללה אלא עשויה גם לנקב את המפריד, ולגרום לקצר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות ולהפעיל אירוע בטיחות. סכנה נסתרת זו נחשפה על ידי מהנדסים מקטל.
סוללות במצב מוצק מראות פוטנציאל בעיכוב צמיחת ליתיום דנדריט. המבנה והתכונות המיוחדות של אלקטרוליט מוצק יכולים לספק נתיב אחיד יותר להגירה של יון ליתיום, ולהפחית את האפשרות להיווצרות ליתיום דנדריט. אף על פי שמבטל לחלוטין את צמיחת הליתיום דנדריט עדיין מהווה אתגרים ביישומים מעשיים, מגמת השיפור של סוללות במצב מוצק בהקשר זה ניכרת בהשוואה לסוללות ליתיום-יון נוזליות.
סיכוני בטיחות פוטנציאליים
למרות היתרונות הרבים של סוללות במצב מוצק מבחינת הבטיחות, הם אינם בטוחים לחלוטין. במקרים קיצוניים מסוימים, כמו למשל כאשר האלקטרוליט המוצק נכשל או דנדריטים ליתיום חודרים לאלקטרוליט המוצק, וגורם לקצר, בטיחות סוללות המצב המוצק וסוללות סולידיות למחצה אינה עדיפה על זו של סוללות ליתיום-יון נוזלי. פרופסור איי שינפינג מבית הספר לכימיה ומדעי המולקולריות באוניברסיטת ווהאן מציין כי הטענה כי סוללות בכל המדינות המוצקות הן בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה ובטיחות טובה, כרוכה למעשה במצוקה רעיונית של יד. מכיוון שחומרים מסוימים בסוללות במצב מוצק עשויים לייצר גזים רעילים כמו מימן גופרתי במקרה של תאונה, אם כי הם לא ישרפו ישירות אנשים כמו סוללות מסורתיות, גז מימן גופרתי הוא רעיל ויכול לגרום נזק קשה לגוף האדם.
פוטנציאל של סוללה במצב מוצק בטווח
להלכה, לסוללות במצב מוצק יש פוטנציאל להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה, אשר צפויה לשפר משמעותית את הסיבולת של מכשירים. אלקטרוליט מוצק מאפשר שימוש בליתיום מתכתי טהור כאלקטרודה השלילית, מה שמגדיל משמעותית את קיבולת אחסון האנרגיה לנפח יחידה. נתונים ניסיוניים של מכון צ'ינגדאו של טכנולוגיית ביו-אנרגיה וביו-עיבוד של האקדמיה הסינית למדעים מראים כי צפיפות האנרגיה של דגימות הסוללה במצב מוצק שלהם חרגה מ- 500 וואט\/ק"ג, ואילו צפיפות האנרגיה של הסוללה 21700 המשמשת בדגם טסלה 3 היא רק 260 וואט\/ק"ג.
נטילת רכבים חשמליים כדוגמה, טווח הנהיגה תמיד היה מוקד של תשומת הלב של הצרכנים. סוללת קונפנג מצ'רי, כנציג של סוללות במצב מוצק, מתכננת להשיג צפיפות אנרגיה של 400 וואט\/ק"ג בשנת 2024 ולהגדיל אותה ל 600 וואט\/ק"ג בשנת 2025. על פי התוכנית, כאשר ייצור המוני בשנת 2027, טווח הנהיגה החשמלי הטהור צפוי לעלות על 1500 ק"מ. אם יעדים אלה יושגו, זה יקל מאוד על חרדת הטווח של משתמשי רכב חשמלי.
אתגרים בטווח בפועל
עם זאת, מהמעבדה ליישומים מעשיים, סוללות במצב מוצק עדיין עומדות בפני אתגרים מסוימים מבחינת הטווח. ראשית, עכבת הממשק בין אלקטרוליט מוצק לאלקטרודות בולטת יחסית, הדומה להגדרת תא אגרה בכביש מהיר, מה שמפריע להעברה מהירה של יוני ליתיום ולהשפיע על יעילות הטעינה והפרק של הסוללה, ובכך משפיעה לרעה על הטווח. שנית, הפגם הקטלני של האלקטרוליט הגופרתי, המייצר מימן גופרתי רעיל ביותר כאשר הוא נחשף למים, לא רק מגביר את סיכוני הבטיחות במהלך ייצור הסוללות ושימוש, אלא גם מציב אתגרים חמורים ליציבות ואמינות הסוללה. בנוסף, התשואה הנמוכה של הכנת סרטי אלקטרוליטים מוצקים מובילה לעלויות ייצור גבוהות בקנה מידה גדול, ומגבילה את היישום הנרחב של סוללות במצב מוצק ומשפיעות בעקיפין על תהליך הדגמת היתרונות שלהם לטווח הארוך בשוק.
מסקנה ותפיסה
לסיכום, סוללות במצב מוצק מדגימות פוטנציאל משמעותי מבחינת בטיחות וטווח. מבחינת הבטיחות, יתרונות היציבות התרמית שלהם ניכרים, והם יכולים לעכב ביעילות את צמיחת ליתיום דנדריט, מה שהופך אותם לבטוחים ואמינים יותר מסוללות ליתיום-יון נוזליות מסורתיות ברוב המקרים. עם זאת, לנוכח מצבים קיצוניים כמו כשל אלקטרוליטים מוצקים, עדיין ישנם סיכוני בטיחות מסוימים. מבחינת הטווח, היתרון התיאורטי של צפיפות אנרגיה גבוהה מספק אפשרות לטווח ארוך, וכמה נתונים ניסויים ותוכניות ארגוניות מראים גם סיכויים מבטיחים. עם זאת, ביישומים מעשיים, סוגיות כמו עכבה ממשק, מומים אלקטרוליטיים ועלות הפכו למכשולים המעכבים את מימושם המלא של יתרונותיהם לטווח הארוך.
למרות התמודדות עם אתגרים רבים, סוללות במצב מוצק עדיין נחשבות לכיוון פיתוח חשוב לטכנולוגיות הסוללה מהדור הבא.