מגמות טכנולוגיות
סוללת נתרן-יון: המגמה החדשה של עתיד כלי הרכב החשמליים
יולי 19, 2021
לַחֲלוֹק:
רֶקַע
עלות סוללת רכב חשמלי
למה כלי רכב חשמליים צריכים סוללות טובות יותר
כלי רכב חשמליים, במיוחד כאלה המשתמשים באנרגיה מתחדשת לייצור חשמל, נתפסים כמודל העתיד שיסייע בהגנה על האקלים העולמית. אך במשך שנים יצרניות רכב השתמשו בליתיום נדיר ויקר יחסית בטכנולוגיית סוללות, מה שהאט את קצב האימוץ ההמוני של כלי רכב חשמליים ברחבי העולם.
למרות שמכוניות חשמליות, כלי רכב מסחריים ואופניים חשמליים נמצאים בתנופה מלאה, השימוש בהם עדיין מוגבל. מחירים גבוהים, מתקני טעינה מסורבלים ותהליך ייצור סוללות שצורך כמויות גדולות של חומרי גלם מעכבים את הפיתוח המהיר של כלי רכב חשמליים.
כדי להפוך כלי רכב חשמליים לזמינים באופן נרחב, יצרני רכב חייבים להציג סוללות חזקות יותר, עמידות יותר, בנות קיימא ובמחיר סביר.
נתרן במקום ליתיום
השוואת חומרים
נתרן במקום ליתיום
סוללות נתרן-יון עשויות להיות אופציה בת קיימא, והפיתוחים האחרונים בסוללות נתרן-יון היו מתקדמים באופן מפתיע. בעתיד הנראה לעין, סוללות נתרן-יון עשויות להיות מסוגלות להחליף סוללות ליתיום המשמשות בכלי רכב חשמליים, סמארטפונים או מחשבים ניידים.
ליתיום ונתרן, שתי מתכות אלקליות, בעלות תכונות כימיות דומות מאוד. למרות שלנתרן צפיפות אנרגיה נמוכה יותר בהשוואה לליתיום הנדיר יותר, נתרן קל יותר להשגה והוא זול יחסית.
פריצות דרך מבטיחות
התקדמות אב טיפוס
פריצות דרך מבטיחות
ביצועי סוללות נתרן-יון עדיין בערך 20 שנים אחרי סוללות ליתיום. הסיבה לכך היא שחוקרים בעשור האחרון בערך התמקדו רק בפיתוח ביצועים חזקים יותר של ליתיום.
כיום, ישנם לא רק פרסומים מדעיים פורצי דרך, אלא גם אבות טיפוס צופים פני עתיד. על פי דו"ח שפורסם במאי, סוללת נתרן-יון שפותחה בדרום קוריאה עברה כ-500 מחזורי טעינה מלאים לפני שהקיבולת שלה ירדה ל-80 אחוז מהקיבולת המקורית שלה.
סוללה נוספת, שפותחה על ידי צוות מחקר אמריקאי-סיני, יכולה להשלים כ-450 טעינות עבור אותה קיבולת סוללה. לסוללת נתרן-יון מתוצרת סין יש קיבולת קטנה יותר, אך לאחר 1200 טעינות מהירות של 12 דקות, עדיין יש לה 70% מקיבולת הסוללה שלה.
זה אולי לא נשמע הרבה, אבל בפועל, סוללות אלו עשויות לעמוד במספר רב יותר של טעינות מכיוון שהן בדרך כלל לא נטענות לאחר ריקון בחיי היומיום. פריקה וטעינה מלאה של הסוללה בניסוי גורמות לבלאי רב יותר של הסוללה.
המתכת ליתיום היא נדירה ויקרה יותר, אך רוב טכנולוגיית הסוללות הנוכחית משתמשת בסוללות ליתיום. האיור המקורי מציג את המדינות המובילות מבחינת עתודות ליתיום בשנת 2019.
בנוסף, טכנולוגיית יוני נתרן אינה דורשת שימוש במשאבים נדירים. אין צורך במלחי ליתיום נדירים לייצור קתודות, שכן מלח שולחן מספיק. ניתן לייצר אנודות בעלות ביצועים גבוהים מליגניט, עץ וביומסה אחרת. קובלט או חומרים נדירים דומים אינם נחוצים בתהליך הייצור.
מחקר בסיסי
יוני גרפן ונתרן
פריצת דרך במחקר בסיסי?
לנתרן שני חסרונות: הוא שוקל פי שלושה יותר מליתיום, כך שלמרות שסוללות ליתיום מכילות פחות מ-5% ממשקל הסוללה הכולל, סוללה עם יוני נתרן עדיין תשקול יותר מסוללת ליתיום.
בנוסף, ביצועי סוללות נתרן חלשים יותר. מכיוון שיוני נתרן נושאים מתח נמוך ב-0.3 וולט מסוללות ליתיום, ישנו אובדן בלתי נמנע של כ-10% מצפיפות אנרגיה. וחשוב מכל, אנודות הגרפיט של הסוללות הנוכחיות אינן מאפשרות מספיק נתרן להישאר.
על פי דו"ח שפורסם על ידי קבוצת עבודה גרמנית-רוסית בראשות מרכז הלמהולץ למחקר מדעי (HZDR) בדרזדן, גרמניה, ננו-פחמן יכול לסייע בשיפור בעיה זו. הדו"ח מציין כי השימוש בחומר פחמן דק במיוחד, גרפן דו-שכבתי, יכול לאגור יותר יוני נתרן באנודה מאשר גרפיט.
אם בעתיד ניתן יהיה להתקין את אלקטרודות הגרפן בסוללות ליתיום, ולהחליף את אנודות הגרפיט הנפוצות כיום, ייתכן שניתן יהיה להגדיל את קיבולת הסוללה באופן משמעותי.
קרשנינקוב, פיזיקאי ב-HZDR, השווה זאת להנחת כדור קטן בין שני דפי נייר: אם תמשיכו להוסיף כדורים קטנים בין הנייר, הנייר יידחף רחוק יותר זה מזה, והפער בין שני הדפים יגדל.
טכנולוגיה תואמת
מבנה רב שכבתי
טכנולוגיה תואמת?
אם מבנה רב-שכבתי עבור סוללות ליתיום עובד, האם הוא חל גם על מתכות אלקליות אחרות כמו נתרן? צוות עובדים מדרזדן, שטוטגרט ומוסקבה מקווה לגלות זאת באמצעות סימולציות מחשב-על מתוחכמות.
מכיוון שאבות הטיפוס של סוללות נתרן-יון עד כה לא פעלו היטב, משום שנתרן בקושי יכול להיכנס לאנודת הגרפיט, חישובי מחשב מראים שנתרן, בדיוק כמו ליתיום, יכול להיטמע בין שכבות גרפן במבנה רב שכבתי.
בעתיד, אם יותקנו אלקטרודות גרפן בסוללות נתרן-יון במקום אנודות גרפיט של היום, ניתן יהיה להשיג קיבולת אחסון גבוהה יותר.
תוצאות המחקרים הללו עשויות לספק פריצת דרך בפיתוח סוללות נתרן זולות. קרשנינקוב אמר שהעבודה היא תיאורטית בלבד ואינה ממליצה על פיתוח דור חדש של סוללות בעתיד הנראה לעין בהתבסס רק על תוצאות המחקר, אך היא עשויה לספק רעיונות חדשים ומעניינים עבור מהנדסים.
סוללות העתיד
תחזית עתידית
סוללות העתיד
למרבה המזל, סוללת יון-נתרן אינה עוד רק מושג תיאורטי. פריצת דרך בטכנולוגיות קשורות נראית קרובה.
הממצאים האחרונים מראים שכבר קיימות חלופות מעשיות, משתלמות ויעילות במשאבים לסוללות ליתיום יקרות, והן אף עשויות לשפר את ביצועיהן באמצעות מבנים רב-שכבתיים.
בוודאי ייקח זמן עד שטכנולוגיית סוללות נתרן-יון תהיה מוכנה לייצור המוני ולשימוש בכלי רכב חשמליים או טלפונים סלולריים. אך ברגע שהזמן יגיע, לא אמורה להיות בעיה גדולה במעבר קו הייצור מסוללות ליתיום לסוללות נתרן-יון מכיוון שהטכנולוגיה דומה יחסית.
