בעקבות סרטון יוטיוב שמראה שסוללות משומשות קופצות על השיש וסוללות חדשות לא, בדקו חוקרים את הסיבה האפשרית לכך. הם מצאו התאמה בין השינויים בקפיציות הסוללות ובין תהליכים כימיים שקורים באלקטרודת האבץ, ומצאו את ההסבר לתופעה - התגבשות של תחמוצת אבץ.

מה אתם עושים כשנגמרות לכם הסוללות? אולי אתם פולטים אנחת רווחה על כך שהצעצוע המרעיש של הזאטוט הפסיק להרעיש. אבל אולי אלה דווקא הסוללות של השלט של האקס בוקס, ומריו בדיוק חטף ברק.

אתם ניגשים למצבור הסוללות שאולי הוא במקרר ואולי לא [1], אבל אתם לא מי יודע מה מסודרים. בין אוסף הסוללות מצאתם כמה "סוללות אצבע" מסוג AA, אבל איך יודעים אם הסוללה חדשה או פרוקה וחסרת תועלת?

אם במקרה אתם אבא שלי, יש לכם מולטימטר, שיודע למדוד את המתח של הסוללה, ואתם בודקים את המתח בין שני ההדקים של הסוללה. אשריכם. אבל אם אין לכם מולטימטר? תנסו סוללה סוללה? רוב המכשירים צריכים יותר מאחת, אז איך תדעו מי הדפוקה, הפרוקה, השלוקה?

הפתרון פשוט מהצפוי - אם שומטים אותה בעדינות כשהאלקטרודה השטוחה כלפי מטה, סוללה פרוקה קופצת על השיש, וסוללה מלאה פחות.
מה? מה ששמעתם. וזה עובד (ראו סרטון) [2].

בשנת 2015, חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון ושותפיהם החליטו לבחון את התהליך ברצינות. במאמר [3] שפרסמו ב- Journal of Materials Chemistry A, ובו הם מצטטים כמקור סרטון יוטיוב [2], הם בחנו סוללות בדרגות פריקה שונות במספר דרכים. תחילה, הופלו הסוללות דרך צינורית על משטח, ומיקרופון הקליט את הנפילה.

על ידי ספירת קולות הנקישה ומשך הזמן שעבר ביניהם הסיקו החוקרים כמה פעמים קפצה כל סוללה ולאיזה גובה [4]. לאחר מכן, נלקחו הסוללות למתקן מיוחד שבו נבחן המבנה הפנימי שלהן באמצעות קרינת רנטגן (ליתר דיוק בעזרת  - EDXRD). גם כאן, בחנו את הסוללות בשלבים שונים של תהליך הפריקה שלהן.

סוללות מסוג אלקליין מכילות אלקטרודה חיובית שעשויה ג'ל אבץ, ואלקטרודה שלילית שעשויה מנגן דו-חמצני ופחמן. בזמן פעולתה, מתרחשת בתוך הסוללה תגובת חמצון של אלקטרודת האבץ שיוצרת יונים של אבץ-הידרוקסיד.

בשלב מסוים, עודף היונים מתקבץ מסביב לחלקיקי האבץ באלקטרודה ונוצרת תחמוצת-אבץ שמתגבשת ותופסת עוד ועוד מהנפח של האלקטרודה. "נתיחה שלאחר המוות" של הסוללות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, חושפת את השינוי בתצורת האלקטרודה בסקלה התת-מילימטרית - מג'ל האבץ הסמיך כשהסוללה מלאה, למוצק הנקבובי שהוא תחמוצת האבץ.

החוקרים מציינים מספר סיבות שיכולות להשפיע על "קפיציות" הסוללות: איבוד מסה, שינוי כימי באלקטרודת המנגן (תגובת החיזור), שינוי באחוז המים שבסוללה ולבסוף חמצון האבץ. הם שוללים את כולן מלבד חמצון האבץ (למרות שהם לא שוללים לחלוטין תרומה נוספת וזניחה יותר מכמות המים בסוללה), ומסיקים מהמדידות שביצעו את ההסבר הבא:

במצבן ההתחלתי, הסוללות מכילות ג'ל אבץ - חלקיקי אבץ בתוך ג'ל אלקטרוליטי (המכיל יונים חשמליים) ותאית. כאשר מקפיצים את הסוללה במצבה זה, חלקיקי האבץ חופשיים לנוע בתוך הג'ל, והג'ל עצמו סופג הרבה מהאנרגיה על ידי תנועה פנימית. דמיינו שאתם זורקים בלון מים קטן על הרצפה - הוא לא קופץ הרבה. ככל שהסוללה ממשיכה לפעול, חלקיקי האבץ מתחמצנים והתחמוצת מצפה אותם ומגדילה את נפחם הכולל. בשלב מסויים, נוצר "גשר" של חלקיקי אבץ-תחמוצת-אבץ בתוך האלקטרודה. הגשר הזה מונע מהג'ל לנוע בחופשיות ולספוג את האנרגיה, והסוללה נעשית קפיצית.

עוד ועוד "גשרים" כאלה נוצרים, עד שלבסוף חלקיקי תחמוצת האבץ גדולים כל כך שהאלקטרודה הופכת למוצקה ומגיעה לקפיציות המלאה שלה. הבלון מקודם? עכשיו הוא כולו גומי. עדיין ישנו מספיק אלקטרוליט (המכיל יונים) באלקטרודה על מנת שהסוללה תמשיך לתפקד, אבל היא כבר לא תשנה את קפיציותה.

התהליך הזה, שאושש גם במדידות המבנה הפנימי, מתאים לאופן שבו משתנה הקפיציות של הסוללות: בתחילה אין שינוי, לאחר מכן יש שינוי חד - כשהגשר הראשון נוצר, ולבסוף שוב אין שינוי - כאשר חלק משמעותי מהאלקטרודה מלא בתחמוצת המוצקה. החוקרים מסכמים בכך שבדיקת הקפיציות של סוללות כדרך לאפיון הפריקה שלהן היא אמנם לא שגרתית, אבל הוכחה כאמינה, וזולה משמעותית מהחלופות.

בפעם הבאה שאתם לא בטוחים אם סוללה היא חדשה או משומשת - תקפיצו.

מקורות והרחבות:

[1] - סוללות במקרר באתר מדע גדול, בקטנה
[2] - סרטון היוטיוב שצוטט במאמר
[3] - המאמר
[3ב'] - "חומרים נוספים" למאמר (קובץ pdf שאליו יש גישה חופשית)
[4] - סרטון הפלת הסוללות שהופק כחלק המחקר