ללא קשר לביצועים, עלות או שיקולי בטיחות, סוללות נטענות במצב מוצק הן הבחירה הטובה ביותר להחליף אנרגיה מאובנים ובסופו של דבר לממש את הדרך לרכבי אנרגיה חדשים.
כממציא חומרים קתודיים כגון LiCoO2, LiMn2O4 ו-LiFePO4, Goodenough ידועה בתחום שלסוללות ליתיום-יוןוהוא באמת "אבי סוללות הליתיום-יון".
במאמר שפורסם לאחרונה ב-NatureElectronics, ג'ון ב' גודנו, בן 96, סוקר את ההיסטוריה של המצאת סוללת הליתיום-יון הנטענת ומראה את הדרך קדימה.
בשנות ה-70 פרץ משבר נפט בארצות הברית. משהבינה את תלות היתר שלה ביבוא נפט, החלה הממשלה במאמץ גדול לפיתוח אנרגיית שמש ורוח. בשל האופי לסירוגין של אנרגיית השמש והרוח,סוללות נטענותבסופו של דבר היה צורך לאחסן את מקורות האנרגיה המתחדשים והנקיים הללו.
המפתח לטעינה ופריקה הפיכים הוא הפיכות התגובה הכימית!
באותה תקופה, רוב הסוללות הלא נטענות השתמשו באלקטרודות ליתיום שליליות ובאלקטרוליטים אורגניים. על מנת להשיג סוללות נטענות, כולם התחילו לעבוד על הטבעה הפיכה של יוני ליתיום לתוך קתודות סולפיד מתכת מעבר שכבות. סטנלי וויטינגהאם מ-ExxonMobil גילה שניתן להשיג טעינה ופריקה הפיכים על ידי כימיית אינטרקלציה באמצעות שכבת TiS2 כחומר הקתודה, כאשר תוצר הפריקה הוא LiTiS2.
תא זה, שפותח על ידי Whittingham ב-1976, השיג יעילות ראשונית טובה. אולם לאחר מספר חזרות של טעינה ופריקה, נוצרו בתוך התא דנדריטים ליתיום, שצמחו מהאלקטרודה השלילית לחיובית, ויצרו קצר חשמלי שעלול להצית את האלקטרוליט. הניסיון הזה, שוב, הסתיים בכישלון!
בינתיים, Goodenough, שעבר לאוקספורד, חקר כמה ליתיום ניתן לכל היותר להיות מוטבע מחומרי הקתודה LiCoO2 ו-LiNiO2 השכבות לפני שינוי המבנה. בסופו של דבר, הם השיגו ביטול הטבעה הפיך של יותר ממחצית מהליתיום מחומר הקתודה.
מחקר זה הנחה בסופו של דבר את אקירה יושינו מ-AsahiKasei להכין את הראשוןסוללת ליתיום-יון נטענת: LiCoO2 בתור האלקטרודה החיובית ופחמן גרפיטי בתור האלקטרודה השלילית. סוללה זו שימשה בהצלחה בטלפונים הסלולריים המוקדמים ביותר של סוני.
על מנת להוזיל עלויות ולשפר את הבטיחות. נראה שהסוללה הנטענת המוצקה עם מוצק כאלקטרוליט היא כיוון חשוב לפיתוח עתידי.
כבר בשנות ה-60, כימאים אירופאים עבדו על הטבעה הפיכה של יוני ליתיום בחומרי מתכת מעבר סולפידיים בשכבות. באותה תקופה, האלקטרוליטים הסטנדרטיים לסוללות נטענות היו בעיקר אלקטרוליטים מימיים חומציים ואלקליים חזקים כמו H2SO4 או KOH. מכיוון שבאלקטרוליטים מימיים אלה, ל-H+ יש דיפוזיטיביות טובה.
באותה תקופה, הסוללות הנטענות היציבות ביותר נוצרו עם שכבת NiOOH כחומר הקתודה ואלקטרוליט מימי אלקליני חזק כאלקטרוליט. h+ יכול להיות מוטמע באופן הפיך בקתודית NiOOH השכבתית כדי ליצור Ni(OH)2. הבעיה הייתה שהאלקטרוליט המימי הגביל את המתח של הסוללה, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיה נמוכה.
בשנת 1967, ג'וזף קאמר וניל וובר מחברת Ford Motor Company גילו של-Na+ יש תכונות דיפוזיה טובות באלקטרוליטים קרמיים מעל 300°C. לאחר מכן המציאו סוללה נטענת Na-S: נתרן מותך כאלקטרודה השלילית וגופרית מותכת המכילה פסי פחמן כאלקטרודה החיובית. כתוצאה מכך, הם המציאו סוללה נטענת Na-S: נתרן מותך כאלקטרודה השלילית, גופרית מותכת המכילה פס פחמן כאלקטרודה חיובית וקרמיקה מוצקה כאלקטרוליט. עם זאת, טמפרטורת הפעולה של 300 מעלות צלזיוס גזרה על סוללה זו להיות בלתי אפשרית למסחר.
בשנת 1986, Goodenough מימשה סוללת ליתיום נטענת במצב מוצק ללא יצירת דנדריטים באמצעות NASICON. נכון לעכשיו, סוללות ליתיום ונתרן נטענות במצב מוצק המבוססות על אלקטרוליטים במצב מוצק, כגון NASICON, הוסרו למסחר.
בשנת 2015, מריה הלנה בראגה מאוניברסיטת פורטו הדגימה גם אלקטרוליט מוצק תחמוצת נקבובי מבודד עם מוליכות יוני ליתיום ונתרן דומה לאלקטרוליטים האורגניים המשמשים כיום בסוללות ליתיום-יון.
בקיצור, ללא קשר לשיקולי ביצועים, עלות או בטיחות, סוללות נטענות במצב מוצק הן הבחירה הטובה ביותר להחליף אנרגיה מאובנים ובסופו של דבר לממש את הדרך לרכבי אנרגיה חדשים!
זמן פרסום: 25 באוגוסט 2022