חומר אלקטרוליטי חדשני

עם עליית הביקוש לרכבים חשמליים נחשף אתגר סביבתי: כיצד להתמודד עם פסולת הסוללות שתצטבר בעשורים הקרובים? כיום, מיחזור סוללות ליתיום יון תלוי בשימוש בכימיקלים מסוכנים, חום גבוה ותהליכי עיבוד מורכבים, מה שמקשה את המיחזור בקנה מידה רחב.

לצוות חוקרים מאוניברסיטת MIT פתרון חדשני: אלקטרוליט מתפרק, המאפשר פירוק מהיר של סוללה בסיום חייה. במחקר שפורסם בכתב העת Nature Chemistry הראו החוקרים כי החומר יכול לשמש אלקטרוליט בסוללת מצב מוצק מתפקדת, אך כאשר טובלים אותה בנוזל אורגני פשוט, החומר מתפרק חזרה למרכיביו המולקולריים בתוך דקות. כך אפשר לפרק את הסוללה לחלקים בסיסיים הניתנים למיחזור במקום לגרוס אותה למסה קשה להפרדה.

החוקרים השתמשו במולקולות מסוג ארמיד (AAs) בעלות מבנה הדומה לסיבי קוולאר (Kevlar) המפורסמים. כאשר המולקולות נחשפות למים, הן מתארגנות בעצמן לסרטי ננו חזקים ויציבים עם יכולת הולכה של יוני ליתיום הודות לשילוב שרשראות פוליאתילן גליקול (PEG). המבנה הנוצר משלב גמישות וחוזק מכני - תכונות הכרחיות לחומר אלקטרוליט. בתוך דקות התמיסה מתעבה לג'ל בשל הצטברות ריבוי של סיבי הננו, שאפשר לדחוס לחומר מוצק המשמש כשכבת אלקטרוליט.

הצוות בנה תא סוללה מצב מוצק עם קתודה מליתיום־ברזל־פוספט ואנודה מליתיום־טיטניום־אוקסיד - חומרים מוכרים בתעשייה. החומר איפשר מעבר יונים בין האלקטרודות, אך ביצועי הטעינה והפריקה הוגבלו בשל תופעת קיטוב. למרות זאת החומר הוכיח יציבות מכנית ויכולת הולכת יונים מספקת.

כאשר הסוללה הושמה בממס אורגני, שכבת האלקטרוליט התפרקה מיד וכל רכיבי הסוללה נפרדו זה מזה - תהליך שהחוקרים השוו להתמוססות של שערות סוכר במים. כך אפשר למיין ולמחזר את האלקטרודות בקלות יחסית.

עיצוב סוללות

לדברי החוקר הראשי יוקיו צ'ו (Yukio Cho), המטרה הייתה לעצב סוללות מתוך מחשבה על מיחזור כבר מהשלב הראשון, בניגוד לגישה הרווחת של עיצוב סוללות לביצועים בלבד, ורק אחר כך ניסיון למחזרן. החומר, אף שאינו פותר את כל אתגרי הביצועים, מוכיח שאפשר לשלב שכבות מתפרקות באלקטרוליט כחלק מאסטרטגיית מיחזור חדשנית.

החוקרים רואים פוטנציאל בשילוב הגישה בחומרים ובכימיות עתידיות של הסוללות עם אפשרות להקל על תעשיית המיחזור ולהפחית את התלות במכרות ליתיום חדשים. לדבריהם, מיחזור אפקטיבי של סוללות ישנות יכול להשתוות בהשפעתו לפתיחת מכרות ליתיום חדשים ולסייע לייצוב שוק חומרי הגלם הגלובלי.

המחקר מציג הוכחת ייתכנות בלבד, אך מסרטט כיוון חדש: "תכנון למיחזור" כבר בשלב הפיתוח. שילוב רעיונות אלה בדגמי סוללות שיפותחו בשנים הקרובות עשוי להפוך את מיחזור הסוללות ליעיל יותר, להפחית את העלויות ולצמצם את ההשפעה הסביבתית של תעשיית הרכב החשמלי.

לפרטים נוספים

מעבדה לייצור סוללות של מרצדס־בנץ