סוללות שמרפאות את עצמן בדרך למימוש

הרעיון של סוללות ש"מרפאות את עצמן" נשמע כמו מדע בדיוני, אבל נשען על תהליכים חומריים מוכרים שמנסים לחקות מנגנונים ביולוגיים של תיקון נזק. בדומה לאופן שבו רקמה מגיבה לפציעה, גם בתוך סוללה נוצרים נזקים שמצטברים לאורך מחזורי טעינה ופריקה: סדקים מיקרוסקופיים באלקטרודות, שינויי נפח, התדרדרות בשכבת הממשק (SEI) ולעיתים היווצרות דנדריטים.

אם אפשר לתקן חלק מהנזקים האלה בזמן אמת או בשלבים מוקדמים, אפשר להאריך את חיי הסוללה, לשמור על ביצועים יציבים יותר לאורך זמן ולהפחית תקלות ושחיקה שמחייבות החלפה מוקדמת. עם זאת "סוללה נצחית" אינה יעד מציאותי בשלב הזה. המטרה הריאלית היא האטת הזדקנות, שיקום חלקי של תפקוד וצמצום אירועי כשל.

בספרות המחקר נהוג להבחין בין שני כיוונים מרכזיים: ריפוי חיצוני (Extrinsic) וריפוי פנימי (Intrinsic). בריפוי חיצוני, בתוך החומר מוטמנת "ערכת עזרה ראשונה" קטנה: מאגרי חומר מרפא במיקרו־קפסולות או ברשת תעלות דמוית כלי דם. ברגע שנוצר קרע או פגם, הקפסולות נפתחות או שהתעלות "מזינות" את האזור הפגוע באמצעות פעולה נימית. אז החומר המרפא אוטם ומתקן בתגובה כימית, באמצעות פולימריזציה למשל. בגישה הזו אפשר לכוון לשיקום מוליכות, לאיטום מיקרו־סדקים באלקטרודה ולתיקון מקומי של מפרידים או שכבות תומכות.

בריפוי פנימי, החומר עצמו "מתוכנת" להיסדק ולהתחבר מחדש. כאן מופיעים חומרים עם קשרים הפיכים: קשרי מימן, קואורדינציה מתכת־ליגנד, קשרים קוולנטיים דינמיים וגם אינטראקציות ערימה בין מבנים ארומטיים עשירים או עניים באלקטרונים. הרעיון הוא שברגע שיוצרים שברים מיקרוסקופיים, הקשרים יכולים להיפתח ולהיסגר מחדש, לפיכך מבנה הפולימר או סביבת האלקטרודה משחזרים חלק מהשלמות המבנית והתפקודית שלה.

ההשוואה לגוף האדם אינה רק מטאפורה. בריפוי פצע ביולוגי יש רצף: זיהוי הנזק, שינוע חומרי תיקון, סגירה ובקרה כדי למנוע תיקון יתר או תגובות מסוכנות. בסוללה, זיהוי הנזק נעשה דרך חיישנים או דרך שינויי התנגדות, מתח וטמפרטורה. החומר המרפא מגיע באמצעות קפסולות או תעלות, והבקרה מתבצעת לעיתים באמצעות מערכת ניהול סוללה (BMS) שמפעילה תנאים מתאימים לריפוי, למשל שינוי פרופיל טעינה או הפעלה תרמית מבוקרת. ההתקדמות הגדולה היא לא רק "חומר שמחלים" אלא מערכת שמסוגלת לזהות מתי צריך תיקון, היכן ובאיזה מינון.

גישות מחקר: נוזלי, ג'ל וליתיום־גופרית

שיטות ריפוי סוללות מבוססות על סוללות מתכת נוזלית, שבהן המעבר בין מצב נוזלי למוצק עשוי לסייע בהתאוששות מנזקי שינוי נפח. פרופ' אריק דטסי (Eric Detsi) מאוניברסיטת פן סטייט מתאר מחקרי הוכחת היתכנות לסוללות מתכת נוזלית עם פוטנציאל ריפוי עצמי, כולל כיוונים המבוססים על נתרן־ברזל ומגנזיום־גופרית. בד בבד בקיימברידג', פרופ' אורן א' שרמן (Oren A. Scherman) וקבוצתו הדגימו סוללות "ג'לי" מבוססות הידרו־ג'לים שאפשר למתוח לעיתים יותר מפי עשרה מאורכן המקורי בלי לפגוע במוליכות. כאן הדגש מושם בהרכבה עצמית, הפיכה המבוססת על קשרים לא קוולנטיים, שמאפשרת שכבות הולכת יונים שאפשר לעוות ולמתוח ועדיין לשמור על תפוקה חשמלית.

לצד אלו, יש התעניינות גוברת בסוללות ליתיום־גופרית (Li-S) עם יכולות ריפוי, משום שהכימיה הזו פוטנציאלית זולה ועתירת אנרגיה, אך חשופה למנגנוני התדרדרות מהירים. תאגידים אירופים בתחום תומכים במרכזי מחקר, באוניברסיטאות ובחברות לפיתוח סוללות חכמות וידידותיות לסביבה, עם שילוב חומרי ריפוי באלקטרוליט, בקתודה ובמפריד. במסגרת זו תוארו למשל תוספים מבוססי יוד שנועדו לדכא דנדריטים של ליתיום ולהפעיל מחדש ליתיום "לא פעיל" בצד האנודה, וכן מנגנוני ריפוי שמופעלים פסיבית או אקטיבית באמצעות שינוי מתחי טעינה או קפסולות פולימר רגישות טמפרטורה.

אם סוללה שומרת על ביצועים לאורך זמן ומפחיתה כשלי תאים יחידים, אפשר לצפות להשלכות כלכליות בעלות משמעות: פחות החלפות, יותר אמון באחריות ארוכה וירידה בעלות הכוללת לבעל הרכב. היגיון נוסף הוא האפשרות להקטין את חבילת הסוללות ועדיין לקבל חיי שירות מספקים, וכך להפחית משקל ועלות של חומרי הגלם. עם זאת זה אזור שבו הטענות השיווקיות עלולות להקדים את ההוכחות בשטח: כדי "לשנות את כללי המשחק", נדרשים נתוני עמידות בעולם האמיתי, הדגמה של ריפוי פנימי לאורך אלפי מחזורים והוכחה שהריפוי אינו פוגע בבטיחות או ביעילות.

דוגמה תעשייתית: סטורדוט

חברת סטורדוט (StoreDot) ידועה כאחת שמקדמת תפיסה של "ריפוי" רב־שכבתי בסוללות טעינה מהירה (XFC), המשלב תוכנה, חומרה ומדעי חומרים. לפי תיאור החברה, המערכת מזהה תאים חלשים או מתחממים ומשקמת אותם באופן שנועד לאזן ביצועים בתוך חבילה לאורך שנים. בהקשר זה הוזכר שימוש בתוספים ייעודיים באלקטרוליט ובהרכב האנודה, וכן פטנט הנוגע לשילוב ריפוי עצמי בשכבת ה־SEI כדי לצמצם את ההתדרדרות המואצת שנוטה לקרות בטעינה מהירה. החברה מציגה יעד לסוללות XFC "עם רכיב סיליקון דומיננטי" בסביבות 2026, ובהמשך מעבר לכיוונים כגון סוללות חצי מוצקות, שבהן ניהול אמינות עשוי להיות מאתגר יותר ולכן מנגנוני הריפוי עשויים לקבל משקל גדול יותר.

לפרטים נוספים