תוֹכֶן

• חיסכון במקום
• משך חיים ארוך יותר
• סוגי אלקטרוליטים במצב מוצק
• סוללות סרט דקות
• סוללות גדולות יותר ויותר
• מוליך מאוד
• לעטוף

לפני מספר שבועות, קריס הציגה בפנינו את נושא הסוללות במצב מוצק וכיצד הם עשויים להיות ההתקדמות הגדולה הבאה בטכנולוגיית הסוללות של הסמארטפונים. בקיצור, סוללות במצב מוצק הן בטוחות יותר, הן יכולות לארוז מיץ רב יותר וניתן להשתמש בהן גם למכשירים דקים יותר. לרוע המזל יקר להם להכניס כרגע לתאי סמארטפון בגודל בינוני, אך הדבר עשוי להשתנות בשנים הקרובות.

אז אם תהיתם מהי בדיוק סוללת מצב מוצק ואיך זה שונה לתאי הליתיום-יונים של ימינו, המשיכו לקרוא.

ההבדל העיקרי בין סוללת הליתיום-יון הנפוצה לבין סוללת מצב מוצק הוא שהראשון משתמש בתמיסה אלקטרוליטית נוזלית כדי לווסת את זרימת הזרם, בעוד שמצברי מצב מוצק בוחרים אלקטרוליט מוצק. אלקטרוליט של סוללה הוא תערובת כימית מוליכה המאפשרת זרימת זרם בין האנודה לקתודה.

סוללות במצב מוצק עדיין פועלות באותו אופן כמו בסוללות הנוכחיות, אך השינוי בחומרים משנה את חלק מתכונות הסוללה, כולל קיבולת אחסון מרבית, זמני טעינה, גודל ובטיחות.

זרם בתוך סוללה עובר בין האנודה לקתודה דרך אלקטרוליט מוליך, ואילו מפרידים משמשים למניעת מעגל קצר.

חיסכון במקום

היתרון המיידי של מעבר מנוזל אלקטרוליט מוצק הוא כי צפיפות האנרגיה של הסוללה יכולה להתגבר. הסיבה לכך היא שבמקום לדרוש מפרידים גדולים בין תאי הנוזל, סוללות מצב מוצק דורשות רק מחסומים דקים מאוד כדי למנוע קצר חשמלי.

סוללות במצב מוצק יכולות לארוז אנרגיה פי שניים מאשר Li-ion

מפרידי סוללה ספוגי נוזלים קונבנציונליים מגיעים בעובי של 20-30 מיקרון. טכנולוגיית מצב מוצק יכולה להפחית את המפרידים ל 3-4 מיקרון כל אחד, לחסוך שטח כפול פי 7 רק על ידי החלפת חומרים.

עם זאת, מפרידים אלה אינם הרכיב היחיד בתוך הסוללה ופיסות אחרות אינן יכולות להתכווץ באותה מידה, מה שמגביל את הפוטנציאל לחיסכון במקום של סוללות במצב מוצק.

עם זאת, סוללות במצב מוצק יכולות לארוז אנרגיה פי שניים מכפי Li-ion, כאשר מחליפים את האנודה גם בחלופה קטנה יותר.

משך חיים ארוך יותר

בדרך כלל אלקטרוליטים במצב מוצק הם פחות תגוביים מהנוזל או הג'ל של ימינו, כך שניתן לצפות שהם יחזיקו מעמד זמן רב יותר ולא יצטרכו להחליף אותם לאחר שנתיים או שלוש בלבד. פירוש הדבר הוא גם שהסוללות הללו לא יתפוצצו ולא יעלו באש אם הם נפגעים או סובלים מפגמי ייצור, כלומר מוצרים בטוחים יותר עבור הצרכנים.

מצברים במצב מוצק לא יתפוצצו או יעלו באש אם הם נפגעים או סובלים מפגמי ייצור.

בסמארטפונים הנוכחיים, לעתים קרובות מבוקשים סוללות להחלפה עבור אלו המחפשים להשתמש באותו טלפון במשך שנים רבות, מכיוון שניתן להחליף אותם ברגע שהם מתחילים להתפרק.

סוללות סמארטפון לרוב אינן שומרות על טעינהן גם לאחר כשנה ואף יכולות לגרום לחומרה להיות יציבה, לאפס או אפילו להפסיק לעבוד לאחר מספר שנים של שימוש. עם סוללות במצב מוצק, סמארטפונים וגאדג'טים אחרים עלולים להחזיק מעמד הרבה יותר זמן ללא צורך בתא חלופי.

יש המון תרכובות כימיות מוצקות שיכולות לשמש בסוללות, ולא רק אחת.

השיחה על נוזלים לעומת סוללות מוצקות היא פישוט יתר של הנושא, מכיוון שיש המון תרכובות כימיות מוצקות שיכולות לשמש בסוללות, ולא רק אחת.

סוגי אלקטרוליטים במצב מוצק

יש שמונה קטגוריות עיקריות שונות של סוללות במצב מוצק, אשר כל אחת משתמשת בחומרים שונים עבור האלקטרוליט. אלה הם Li-Halide, Perovskite, Li-Hydride, דמוי NASICON, גרנט, Argyrodite, LiPON ו- LISICON.

בעודנו עדיין עוסקים בטכנולוגיה מתפתחת, החוקרים עדיין מתמודדים עם הסוגים הטובים ביותר של אלקטרוליט במצב מוצק לשימוש עבור קטגוריות מוצרים שונות. אף אחד מהם לא יצאו כמנהיגים ברורים עדיין, אך תאי LiPON מבוססי גופרית וגארנט נתפסים כיום כמבטיחים ביותר.

בטח שמתם לב שרבים מהסוגים הללו עדיין מבוססים על ליתיום (Li) מבחינה מסוימת, מכיוון שהם עדיין משתמשים באלקטרודות ליתיום. אך רבים בוחרים בחומרים אלקטרודיים חדשים לאנודה וקטודה כדי לשפר את הביצועים.

סוללות סרט דקות

אפילו בסוגי סוללות במצב מוצק, ישנם שני תת-סוגים ברורים חתוכים - סרט דק וגודל. אחד הסוגים המצליחים של סרטי הדק שכבר קיימים בשוק הוא LiPON, שרוב היצרנים מייצרים עם אנודה ליתיום.

האלקטרוליט LiPON מציע תכונות משקל, עובי ואפילו גמישות מעולות, מה שהופך אותו לסוג תאים מבטיח עבור אלקטרוניקה לבישת גאדג'טים הדורשים תאים קטנים. בחזרה לנושא של תאים לאורך זמן, LiPON הוכיח גם יציבות מצוינת עם הפחתת קיבולת של 5% בלבד לאחר 40,000 מחזורי טעינה.

סוללות LiPON יכולות להימשך בכל מקום פי 40 עד 130 פעמים מאשר סוללות Li-ion לפני שהן צריכות להחליף.

לשם השוואה, סוללות ליתיום-יון מציעות רק בין 300 ל -1000 מחזורים לפני שהן מראות נפילה דומה או גדולה יותר. משמעות הדבר היא כי סוללות LiPON יכולות להחזיק מעמד בין 40 עד 130 פעמים יותר מאשר סוללות Li-ion לפני שהן צריכות להחליף.

החיסרון של LiPON הוא שכושר קיבולת האחסון האנרגטי והמוליכות הכוללת שלו גרועים למדי בהשוואה. עם זאת, טכנולוגיות סוללות חלופיות בעלות מצב מוצק עשויות להיות המפתח להבאת חיי סוללה ארוכים יותר לשעונים חכמים, מה שמגרש כעת מספר לקוחות מלהרים לביש.

סוללות גדולות יותר ויותר

עד כה סוללות מצב מוצק עדיין אינן מתאימות לתאים גדולים יותר שנמצאים בסמארטפונים וטאבלטים, קל וחומר למחשבים ניידים או מכוניות חשמליות. עבור סוללות גדולות במצב מוצק בתפזורת בעלות קיבולת גדולה יותר, נדרשת מוליכות מעולה המתקרבת לאלקטרוליטים נוזליים או תואמת אותה, דבר המבטל טכנולוגיות מבטיחות אחרת כמו LiPON. הולכה יונית מודדת את יכולתם של יונים לעבור דרך חומר, והולכה טובה היא דרישה של תאים גדולים יותר כדי להבטיח את הזרם הנדרש.

LISICON ו- LiPS עקפו את המחקר על סוללות LiPO, LiS ו- SiS, המובילות הקודמות בתחום המצב הסולידי. עם זאת, סוגים אלה עדיין סובלים ממודיות נמוכה יותר מאשר אלקטרוליטים אורגניים ונוזלים בטמפרטורת החדר, מה שהופך אותם ללא מעשיים למוצרים מסחריים.

מוליך מאוד

כאן נכנס למחקר על אלקטרוליטים גרנט-תחמוצת (LLZO) מכיוון שהוא מתהדר במוליכות יונית גבוהה בטמפרטורת החדר.

החומר משיג הולכה שנכנסת רק מעט מאחורי התוצאות המוצעות על ידי תאי ליתיום-יון נוזליים, ומחקרים חדשים על LGPS מראים כי חומר זה יכול אפילו להתאים לו.

משמעות הדבר היא שמצברי מצבר מוצקים בעלי כוח ויכולת שווה בערך כמו תאי ה- Li-ion של ימינו, תוך ראייה של יתרונות כמו גודל מופחת ואורך חיים ארוך יותר הופכים למציאות.

גרנט יציב גם באוויר ובמים, מה שהופך אותו מתאים גם לסוללות Li-Air. למרבה הצער זה צריך להיות מפוברק באמצעות תהליך sintering יקר.

זה כרגע הופך אותה להצעה לא מושכת לשימוש בסוללות צרכניות בהשוואה לעלות הנמוכה של תאי ליתיום-יון. בעתיד, העלויות צפויות ליפול ככל ששכלולי טכניקות הייצור, אך אנו עדיין רחוקים מהסוללה של מצב מוצק מסחרי.

לעטוף

ברור שיש עדיין המון מחקר מתמשך על טכנולוגיית סוללות במצב מוצק. אנו לא מתכוונים לראות תאים בוגרים מפנים את דרכם למוצרי צריכה כמו סמארטפונים במשך 4 או 5 שנים נוספות, על פי התחזיות הקדומות ביותר. סוללות במצב מוצק במכשירים אחרים (כמו מל"טים) עשויות להופיע כבר בשנה הבאה.

ובכל זאת, המחקר האחרון מניב סוף סוף תוצאות שיכולות להתחרות בסוללות li-ion קיימות מבחינת תכונות, תוך מתן היתרונות של אלקטרוליטים במצב מוצק. כל מה שאנחנו צריכים זה שתהליכי ייצור יבשילו, ויש מספר יצרני סוללות גדולים וצפויים עם המשאבים להפוך את זה למציאות.

לסיכום, היתרונות העיקריים של כל ההבדלים הכימיים הללו מנקודת מבט צרכנית הם: טעינה מהירה של עד פי 6, עד פי שניים מצפיפות האנרגיה, אורך מחזור ארוך יותר של עד 10 שנים לעומת 2, וללא רכיבים דליקים. זה בוודאי יועיל לסמארטפונים וגאדג'טים ניידים אחרים.