פריצה בדרך לטעינה מהירה

הטכנולוגיה שמאחורי טעינה מהירה במיוחד של סוללות מעוררת עניין עצום, אך לצד ההתקדמות עדיין קיימת מגבלה מהותית: קצב טעינה איטי יחסית. סוללות ליתיום יון אמנם מניעות כיום טלפונים חכמים ורכבים חשמליים, אך האנודה הגרפיטית היא צוואר בקבוק. במהלך טעינה מהירה, יוני ליתיום מתקשים להסיר במהירות את מולקולות הממס שצמודות אליהם - תהליך הנקרא דסולבציה - לפני כניסה לחומר האנודה. התוצאה היא שקיעת ליתיום מתכתי ויצירת שכבת SEI לא יציבה, מה שמביא לירידה מואצת בקיבולת ולסיכוני בטיחות. פתרונות קיימים כגון אלקטרוליטים מרוכזים או ציפויי פני שטח מסורתיים סיפקו מענה חלקי בלבד, לעיתים תוך פגיעה בביצועים, בעלות או ביכולת הייצור.

החולייה החסרה הייתה חומר שמאפשר הן דסולבציה מהירה והן הובלה יציבה ומהירה של רכיבים איוניים אל הגרפיט. צוות מחקר בהובלת פרופ' ז׳י צ'אנג (Zhi Chang) מהאוניברסיטה הדרומית (צ'אנשה, סין) ופרופ' האושן ג'ואו (Hausheng Zhou) מאוניברסיטת נאנג׳ינג מציג כעת אסטרטגיית ציפוי פורצת דרך המבוססת על מסגרת מתכת אורגנית (MOF) במצב זגוגי. "המפתח היה לתכנן ציפוי שפועל באופן מדורג: תחילה כשומר סף סלקטיבי, ולאחר מכן כנתיב מהיר ליוני ליתיום", הסביר פרופ' צ'אנג.

עיקר המחקר

המחקר מציג אנודת גרפיט מצופה בשכבה זגוגית שמאפשרת טעינה מהירה בקצב חסר תקדים. הציפוי הדק, בעובי של כ־5 ננומטר בלבד, עובר במחזור הפריקה הראשון שינוי מבני ומשתנה למבנה דו־שכבתי ייחודי. בשכבה החיצונית, מתכת אורגנית במצב זגוגי קשיח ומבודד, נקבוביות ברוחב 2.93 אנגסטרם המתפקדות כמסננת מולקולרית המפרידה את מולקולות הממס מהיונים ומייצרת סביבה רוויית יונים המעודדת היווצרות שכבת SEI יציבה ועשירה בליתיום פלואוריד.

בשכבה הפנימית, הנמצאת במגע עם הגרפיט, נוצר מבנה עשיר ב־Li>₃P, חומר בעל מוליכות גבוהה במיוחד ליוני ליתיום. הסינרגיה בין שתי השכבות - האחת לייעול הדסולבציה והשנייה להאצת ההולכה - היא מהות ההתקדמות. התוצאות האלקטרוכימיות מרשימות במיוחד. בתאי חצי, האנודה זגוגית/גרפיט שמרה על קיבול גבוה של יותר מ־250 מיליאמפר־שעה לגרם בזרם גבוה במיוחד של 5C - פי חמישה מביצועי גרפיט רגיל. בתאי סוללה מלאים בשילוב קתודות מסחריות מסוג NCM811 התקבלו ביצועים יציבים גם בטעינה מהירה: 88% קיבול לאחר 1,000 מחזורים בקצב 4C.

לבחינת יישומיות מסחרית יצרו החוקרים תא פאוץ' בנפח 2.36 אמפר־שעה, שהציג צפיפות אנרגיה של 283 ואט־שעה לקילוגרם ושמר על יותר מ־80% מקיבולו לאחר 300 מחזורים. בדיקות לאחר השימוש לימדו על אנודת גרפיט נקייה מדנדריטים ומבנה גבישי שמור, עדות ליעילות ההגנה ארוכת הטווח.

אסטרטגיית הציפוי החדשה פותרת באופן ישיר את הקונפליקט ההיסטורי בין מהירות דסולבציה לבין מהירות ההובלה בגרפיט. תהליך הייצור בטמפרטורה נמוכה ויכולת היישום התעשייתית מקנים לטכנולוגיה פוטנציאל מסחרי רב. באמצעות תכנון ממשק חכם המנהל את זרימת היונים בדיוק ננומטרי, המחקר מציג מסלול ברור לפיתוח דור הבא של סוללות ליתיום־יון בעלות יכולת טעינה מהירה במיוחד ועמידות גבוהה לאורך זמן.

לפרטים נוספים