סוללה נטענת ל־85% בתוך שש דקות
חוקרים מאוניברסיטת אדלייד (University of Adelaide) באוסטרליה פיתחו תא סוללה חדש המבוסס על ליתיום־יון, שמסוגל להגיע לטעינה של 85% בתוך שש דקות בלבד ול־91% בתוך עשר דקות. הפיתוח מתבסס על שיפור ממשק העבודה שבין האנודה לאלקטרוליט, ללא שינוי מהותי בכימיית הסוללה עצמה.
המחקר מתפרסם על רקע המרוץ העולמי לפיתוח סוללות בעלות זמני טעינה קצרים יותר עבור כלי רכב חשמליים. בעוד שחלק מהחברות בוחנות טכנולוגיות חלופיות כמו סוללות נתרן־יון או סוללות מצב־מוצק, החוקרים האוסטרלים התמקדו בשיפור סוללות ליתיום־יון קיימות באמצעות הנדסת ממשק מתקדמת.
במרכז המחקר עומדת אנודת סיליקון. במשך שנים נחשבות אנודות סיליקון לאחת ההבטחות הגדולות בתחום הסוללות בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, העשויה להיות גדולה משמעותית מזו של אנודות גרפיט המקובלות כיום. עם זאת, לסיליקון יש חסרון מרכזי: במהלך מחזורי טעינה ופריקה הוא מתרחב ומתכווץ באופן משמעותי, דבר הגורם להתפרקות מבנית של האלקטרודה, לירידה בביצועים ולקיצור חיי הסוללה.
לאורך השנים פותחו פתרונות שונים להתמודדות עם הבעיה, בהם חלקיקי סיליקון זעירים וציפויים ננומטריים, אך עד כה לא הצליחו הטכנולוגיות הללו להביא את אנודות הסיליקון ליישום מסחרי נרחב.
החוקרים פיתחו שיטה המבוססת על קטליזטור להפחתת אניונים בממשק שבין האלקטרוליט לאנודה. באמצעות פגמים מבוקרים במבנה חומר מסוג MoS₂-x הצליחו החוקרים למשוך יונים מסוימים אל פני השטח של האנודה וליצור שכבת הגנה אנאורגנית יציבה. שכבה זו, העשירה בתרכובת ליתיום־פלואוריד (LiF), מאפשרת מעבר מהיר של יוני ליתיום תוך שמירה על יציבות האנודה גם בזמן טעינה מהירה במיוחד.
בניגוד לגישות אחרות המשנות את הרכב האלקטרוליט כולו, הפתרון החדש פועל רק באזור המגע שבין האלקטרוליט לאלקטרודה. כתוצאה מכך נשמרת מוליכות חשמלית גבוהה לצד שיפור היציבות הכימית. תאי הסוללה שהודגמו במחקר השיגו מספר תוצאות בולטות: טעינה ל־85.3% בתוך שש דקות בלבד וטעינה ל־91.4% בתוך עשר דקות. צפיפות אנרגיה של 240.4 ואט־שעה לקילוגרם לאחר טעינה של שש דקות. נצילות קולומבית ממוצעת של כ־99.94%.
לדברי החוקרים, הביצועים עומדים בדרישות הטעינה המהירה של קונסורציום הסוללות המתקדמות של ארצות הברית (USABC), ונחשבים להישג משמעותי בהתמודדות עם מגבלות הטעינה המהירה של אנודות סגסוגת, ובהן סיליקון. למרות התוצאות המרשימות, החוקרים עצמם מודים כי הדרך לשוק עדיין ארוכה. ראשית, מדובר בתאי פאוץ' קטנים המתאימים בעיקר לאלקטרוניקה צרכנית. המעבר מתא בודד למארז סוללות גדול עבור רכב חשמלי דורש פיתוח נוסף והוכחת יכולת בקנה מידה תעשייתי.
בנוסף, הסוללות שמרו על כ־72% מקיבולתן לאחר 500 מחזורי טעינה ופריקה בקצב טעינה גבוה. נתון זה עדיין נמוך משמעותית מהמקובל בתעשיית הרכב. לשם השוואה, סוללת בלייד 2.0 (Blade Battery 2.0) של BYD מסוגלת להיטען מ־10% ל־97% בפחות מתשע דקות ולה אורך חיים של יותר מ־4,000 מחזורי טעינה.
משמעות הדבר היא שגם אם ניתן יהיה ליישם את הטכנולוגיה החדשה ברכב חשמלי, יהיה צורך לשפר משמעותית את עמידות הסוללה לפני שתוכל להתחרות בפתרונות המסחריים הקיימים.
למרות האתגרים, המחקר מספק הוכחה נוספת לפוטנציאל הטמון באנודות סיליקון ובשיפור ממשקי העבודה בתוך הסוללה. אם החוקרים יצליחו להאריך את חיי התא ולשמר את ביצועי הטעינה המהירה בקנה מידה גדול, הטכנולוגיה עשויה בעתיד לסייע בקיצור משמעותי של זמני הטעינה ברכבים חשמליים ובמערכות אגירת אנרגיה. השלב הבא של המחקר יתמקד בהגדלת התאים, בשיפור אורך החיים ובבחינת הביצועים בתנאי הפעלה מציאותיים לאורך זמן.
