שיטה חדשה לייצור סוללות מוצקות
סוללות מצב מוצק עשויות להחליף בעתיד את סוללות הליתיום־יון הנפוצות, המבוססות על אלקטרוליט נוזלי. אבל לפני שהטכנולוגיה תגיע לשימוש מסחרי נרחב, צריך להתגבר על כמה אתגרים טכנולוגיים ממשיים. חוקרים מהמכון ע"ש פול שרר (PSI) בשווייץ, מציגים שיטה חדשה שנועדה לפשט את תהליך הייצור ולהתמודד עם חלק מהקשיים המרכזיים.
בתיאוריה, לסוללות מצב מוצק שני יתרונות עיקריים על פני סוללות ליתיום־יון קונוונציונליות. ראשית, אין להן רכיבים נוזליים דליקים, ולכן הן נחשבות בטוחות יותר בשימוש. שנית, צפיפות האנרגיה שלהן גבוהה יותר הודות לשימוש באנודת ליתיום מתכתי דקה, המאפשרת אגירת אנרגיה רבה יותר באותו נפח. שילוב זה עשוי לאפשר טווחי נסיעה ארוכים יותר או הפחתת משקל של כלי הרכב.
מסיבות אלו הטכנולוגיה נחשבת קריטית לעתיד הרכב החשמלי. יצרניות רכב מובילות כבר השקיעו בתחום בשלב מוקדם. קבוצת פולקסווגן, למשל, השקיעה כבר בשנת 2012 בחברת קוונטום סקייפ (QuantumScape) האמריקנית, ומתכננת להעניק רישיון לטכנולוגיה שלה באמצעות חטיבת הסוללות PowerCo. בד בבד חברת הסוללות האמריקנית פקטוריאל (Factorial) גייסה כמשקיעות אסטרטגיות את מרצדס־בנץ ואת סטלנטיס.
שני אתגרים עיקריים מעכבים את מוכנותן של סוללות מצב מוצק לשוק. האתגר הראשון הוא היווצרות דנדריטים של ליתיום באנודה - אלמנטים מתכתיים קטנים דמויי מחט שעלולים לחדור דרך האלקטרוליט המוצק המוליך יוני ליתיום בין האלקטרודות, להתפשט לעבר הקתודה ולגרום קצר פנימי בסוללה. האתגר השני הוא חוסר יציבות אלקטרוכימית בממשק שבין אנודת הליתיום מתכת לאלקטרוליט המוצק, הפוגע בביצועים ובאמינות ארוכת הטווח של התא.
חוקרי PSI מציגים תהליך ייצור חדש שנועד להתמודד עם שני האתגרים האלו בו־בזמן. מריו אל־קאזי, ראש קבוצת חומרי הסוללה והדיאגנוסטיקה במכון, מסביר: "שילבנו שתי גישות, שיחד מהדקות את האלקטרוליט וגם מייצבות את הממשק עם הליתיום."
במרכז המחקר עומד אלקטרוליט מוצק מסוג ארגירודיט (argyrodite) בשם Li₆PS₅Cl, המבוסס על גופרית ומורכב מליתיום, זרחן וגופרית. לחומר זה מוליכות גבוהה בייחוד ליוני ליתיום, המאפשרת מעבר יונים מהיר בתוך התא - תנאי חיוני לביצועים גבוהים ולטעינה יעילה. תכונות אלו הופכות אלקטרוליטים מבוססי ארגירודיט למועמדים מבטיחים במיוחד לסוללות מצב מוצק.
עד כה קיימות שתי שיטות עיקריות לדחיסת האלקטרוליט המוצק, אך לכל אחת מהן חסרונות. דחיסה בטמפרטורת החדר אינה מספקת, ויוצרת מבנה מיקרוסקופי נקבובי עם צמיחת גבישים מוגזמת. עיבוד בטמפרטורות גבוהות מאוד, יותר מ־400 מעלות צלזיוס, עלול לגרום לפירוק החומר ולפגוע בתכונותיו.
הפתרון שפיתחו חוקרי PSI מבוסס על דחיסה בלחץ ובטמפרטורה מתונים. שיטה זו מצמצמת את מספר החללים בתוך החומר, מקשה את חדירת דנדריטים ומשפרת את יציבות התא. החוקרים יישמו גם שכבת מגן דקה במיוחד בעובי של 65 ננומטר בלבד של ליתיום־פלואוריד (LiF), אשר הונחה באופן אחיד על פני הליתיום. שכבה זו מגנה על הממשק ומפחיתה בעיות כימיות במגע שבין האנודה לאלקטרוליט.
תוצאות המעבדה מלמדות על ביצועים מרשימים: תא סוללה שיוצר בשיטה החדשה שמר על כ־75 אחוז מקיבולתו גם לאחר 1,500 מחזורי טעינה ופריקה. ב־PSI מעריכים כי ממצאים אלו מדגימים פוטנציאל ממשי להתעלות בעתיד הקרוב של סוללות מצב מוצק על סוללות ליתיום־יון נוזליות הן בצפיפות אנרגיה והן בעמידות לאורך זמן.
