סוללים את הדרך לסוללות העתיד

מדי לילה אנחנו לא רק "טוענים" את עצמנו בשינה, אלא מקפידים גם לחבר את הטלפון הנייד לשקע חשמלי ולמלא אותו באנרגיות טובות לקראת יום של גלילה, סמסים והתראות. אבל לא תמיד יכולנו לעשות זאת: סוללות ליתיום-יון נטענות הופיעו לראשונה באופן מסחרי בשנות ה-90 וסימנו מהפכה טכנולוגית אמיתית, שגם זיכתה את מפתחיה בפרס נובל לכימיה בשנת 2019. בלעדיהן, מכשירים חכמים כמו טלפונים ניידים, אוזניות אלחוטיות ומכוניות חשמליות, פשוט לא היו אפשריים מבחינה סביבתית וכלכלית.

קצב התפתחות הטכנולוגיה מחייב סוללות חזקות ובטיחותיות יותר, אבל פיתוח סוללות שכאלה אינו משימה פשוטה. סוללות ליתיום-מתכתי, למשל, מבטיחות להגדיל בעתיד את קיבולת האנרגיה פי כמה מהסוללות הנפוצות כיום, אך גם מציבות אתגר משמעותי: בכל טעינה נוצרים בהן חוטים זעירים דמויי שורשים שנקראים דנדריטים. הדנדריטים עלולים להיערם וליצור "גשרים" מתכתיים בתוך הסוללה, שעל-גביהם מתקיים מעבר לא מבוקר של אלקטרונים – דבר המאיים להרוס את הסוללה ואף עלול להוביל לשריפות. עד היום, השיטות לאפיין את היווצרות הדנדריטים היו מוגבלות. במחקר חדש ממעבדתה של פרופ' מיכל לסקס מהמחלקה לכימיה מולקולרית ולמדע חומרים במכון ויצמן למדע, פיתחו החוקרים בהובלת ד"ר איין מייטי, גישה חדשנית שמאפשרת גם לזהות את הגורמים בסוללה שמשפיעים על היווצרות הדנדריטים, וגם לבחון במהירות את היעילות והבטיחות של הרכבי סוללות חלופיים.

במהלך השימוש בסוללות נטענות, יונים בעלי מטען חיובי נעים בין האלקטרודה השלילית (אנודה) לאלקטרודה החיובית (קטודה) דרך חומר מוליך שנקרא אלקטרוליט. כשטוענים את הסוללה, היונים חוזרים לאלקטרודה השלילית – בניגוד למהלך הטבעי של התגובה הכימית – וכך היא מוכנה לשימוש חוזר. החידוש בסוללות ליתיום-מתכתי טמון באנודה שעשויה ליתיום-מתכתי טהור. חומר זה מאפשר אגירת אנרגיה רבה, אבל הוא פעיל מאוד, מבחינה כימית, ומקיים אינטראקציה עם כל חומר הנקרה בדרכו. כך במפגש שלו עם האלקטרוליט נוצרים דנדריטים במהירות ובכמות גבוהה ומסוכנת למשתמש ולבריאות הסוללה.

אפשר למנוע את התלקחות הסוללות על-ידי החלפת האלקטרוליט מחומר נוזלי ודליק לחומר מוצק ובלתי דליק, למשל שילוב של פולימרים וחלקיקים קרמיים. לאיזון בין שני הרכיבים אלו יש השפעה משמעותית על היווצרות הדנדריטים ועל אורך חיי הסוללה, אך האתגר המרכזי נותר בעינו: כיצד נמצא את ההרכב האידיאלי לסוללות מאריכות ימים?

""התחלנו משאלה מדעית טהורה, שכלל לא עסקה בדנדריטים, וממנה התפתח מחקר עם יישומים פרקטיים שיכולים לשפר את החיים של כולנו"

צוות המחקר בחר לענות על השאלה באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR) – שיטה מקובלת לזיהוי מבנים כימיים של חומרים, שאפשרה לחוקרים לעקוב אחר התפתחות הדנדריטים ולזהות אינטראקציות כימיות באלקטרוליט. "כשהסתכלנו על הדנדריטים בסוללות עם יחסים שונים של חומר קרמי ופולימרים, גילינו מעין 'יחס זהב': אלקטרוליטים המורכבים מ- 40% חומר קרמי הציגו את אורך החיים הארוך ביותר", מסבירה ד"ר מיכל לסקס. "כשעלינו מעל 40% חומר קרמי, נתקלנו בבעיות מבניות ותפקודיות שפגעו בביצועי הסוללה, ואילו פחות מזה הביא לחיי סוללה קצרים יותר". אלא שבאופן מפתיע, בסוללות שהניבו את התוצאות הטובות ביותר נצפתה דווקא עלייה במספר הדנדריטים, אך צמיחתם של החוטים נבלמה והם ייצרו פחות גשרים מסוכנים.

ממצאים אלה הולידו את שאלת מיליון הדולר, שעשויה להיות שווה הרבה יותר במונחים של יישומים מסחריים: מה בולם את גדילת הדנדריטים? החוקרים העריכו שהתשובה טמונה בשכבה דקה על-גבי הדנדריטים המכונה solid electrolyte interphase, או בקיצור – SEI. שכבת ה-SEI נוצרת כשהדנדריטים מגיבים עם האלקטרוליט, והיא יכולה להיות מורכבת מחומרים שונים המשפיעים לחיוב או לשלילה על הסוללה. למשל, ההרכב הכימי של שכבת ה-SEI יכול לשפר או לעכב את מעבר יוני הליתיום לאורך הסוללה, לחסום או לאפשר מעבר של חומרים מזיקים מהאנודה לקטודה, ולבלום או להאיץ את התפתחות הדנדריטים.

בשביל לאפיין את שכבת ה-SEI הדקה הצוות היה צריך לחשוב מחוץ לסוללה. השכבות עשויות מכמה עשרות ננומטרים בודדים של אטומים, והאותות שמתקבלים מהם ב-NMR חלשים מדי. בניסיון להגביר את האותות, החוקרים עשו שימוש בטכניקה שלא הייתה בשימוש בחקר סוללות עד כה: הגברה של ה-NMR באמצעות קיטוב גרעיני דינאמי.

השיטה משתמשת בספין החזק של אלקטרונים מקוטבים בליתיום, שלהם אותות עוצמתיים המאפשרים להגביר את האותות שמייצרים גרעיני האטומים בשכבת ה-SEI. כשהחוקרים עשו זאת הם יכלו לפענח בדיוק רב את ההרכב הכימי של שכבות ה-SEI, ודרכן ללמוד על האינטראקציות שהתקיימו בין הליתיום למבנים השונים באלקטרוליט. למשל, הם יכלו להבין האם הדנדריט התפתח במפגש בין הליתיום לפולימר או לחלקיקים הקרמיים. כך הם גילו במפתיע ששכבות ה-SEI שנוצרות בדנדריטים מייעלות לפעמים את מעבר היונים באלקטרוליט תוך כדי חסימת חומרים מזיקים.

ממצאי המחקר מספקים תובנות חדשות שיוכלו לסייע בפיתוח סוללות עמידות, חזקות ובטוחות יותר, שיספקו יותר אנרגיה בעלות סביבתית וכלכלית פחותה. סוללות עתידיות אלה יאפשרו להפעיל מכשירים חכמים וגדולים יותר מבלי להגדיל את נפח הסוללה ותוך הגדלת משך חייהן.

"אחד הדברים האהובים עליי במחקר הזה הוא שללא הבנה מדעית עמוקה של פיסיקה בסיסית, אי אפשר היה לפענח מה קורה בתוך הסוללות. עברנו תהליך שמאוד מאפיין את העבודה כאן במכון ויצמן – התחלנו משאלה מדעית טהורה, שכלל לא עסקה בדנדריטים, וממנה התפתח מחקר עם יישומים פרקטיים שיכולים לשפר את החיים של כולנו", מסכמת פרופ' לסקס.

במחקר השתתפו גם ד"ר אסיה סבירינובסקי-ארבלי, יהודה בוגנים וחן אופנהיים מהמחלקה לכימיה מולקולרית ומדע חומרים במכון.