החוקרים ג'ון גודאנף (John B. Goodenough), סטנלי וויטינגהם (M. Stanley Wittingham) ואקירה יושינו (Akira Yoshino) הוכרזו כזוכי פרס נובל בכימיה לשנת 2019, על תרומתם לפיתוח סוללות יון-ליתיום (Lithium-Ion Batteries). סוללות אלו מאפשרות לייצר מכשירים אלקטרוניים זולים, קלים וזמינים, אשר כיום נמצאים בכל מקום ומשפיעים על כל היבט של חיינו

היכולת לאחסן אנרגיה בצורה יעילה וזמינה היא אחת הסיבות לזמינות של מכשירים ניידים שכיום נמצאים בכל מקום: מחשבים ניידים, טלפונים סלולארים חכמים, טאבלטים ועוד. כל אלו לא יכלו להתקיים כפי שאנו מכירים אותם ללא סוללות יעילות אשר תופסות נפח קטן וניתנות לטעינה מספר רב של פעמים: זוכרים את הטלפונים הניידים הישנים (מאד), שהיו גדולים משפורפרת של טלפון נייח? אחת הסיבות לכך היא הסוללות המאסיביות שסיפקו להם את החשמל הנצרך לפעולתם, ואשר יכלו לספק לכל היותר כמה שעות של פעולה, ודרשו מספר רב מאוד של שעות לטעינה.

סוללות יון-ליתיום מאפשרות לנו "לדחוס" כמות גבוהה מאד של אנרגיה בנפח קטן. הן יעילות מאוד ביחס לסוללות אחרות, ניתנות לטעינה ולפריקה מספר רב של פעמים, וכיום ניתן לייצר אותן באופן זול, כך שמחירן זניח ביחס למחיר המכשיר אותו הן מפעילות.

סוללות עובדות על עיקרון המרה של אנרגיה, האצורה בתרכובות כימיות, לאנרגיה חשמלית. המרה זו נעשית בתהליך חמצון-חיזור שבו מועברים אלקטרונים בין שני חומרים או יותר בתמיסה. התהליך מתרחש בתאים הנמצאים בסוללה ונקראים תאים וולטאים (חלק מהסוללות מכילות תא אחד בלבד). כל תא מורכב משני חלקים אשר מאחסנים תמיסה של מלחים ואלקטרודה - פיסת מתכת המוטבעת בתמיסה. בחלק אחד (הנקרא "חצי תא") מתרחשת תגובת חמצון בה נלקחים אלקטרונים מן האלקטרודה, ובחלק ההשני מתרחשת תגובת חיזור: יוני המתכת שבתא יקבלו את האלקטרונים ויתגבשו על פני האלקטרודה כאטומי מתכת נייטרליים. בין שני חצאי התאים ישנו הפרש מתח, וכאשר הם מחוברים בעזרת חומר מוליך - אלקטרונים זורמים ביניהם. אלקטרודות שונות ותמיסות שונות יצרו הפרש מתחים שונה (כתוצאה מהפרש בין פוטנציאלי החיזור של החומרים מהן הן מורכבות), אשר מכתיב את המתח הפרקטי שהסוללה מספקת.

בשנות ה-70 החל הכימאי הבריטי סטנלי וויטינגהם לחקור את השימוש ביוני ליתיום (Li) בסוללות. הוא הרכיב תא סוללה עם אלקטרודה אחת העשוייה מליתיום, והשניה מטיטניום גפרתי (TiS2). למרות היתרונות שתא זה סיפק - למשל יכולת הטענה חוזרת ונשנית - מחיר ייצור הטיטניום הגרפתי, יחד עם הסכנות הנובעות משימושו (למשל חשיפה לאוויר גורמת לשחרור מימן גפרתי, גז רעיל מאד לבני אדם) הביא לכך שהמימון לפרוייקט הופסק.

בשנת 1979 מספר קבוצות מחקר, בהן קבוצת המחקר של ג'ון גודאנף הצליחו להרכיב תא וולטאי נטען, בעזרת אלקטרודות ליתיום קובלט אוקסיד (LiCoO2) כקתודה (האלקטרודה העוברת חיזור ומקבלת אלקטרונים), ואלקטרודת ליתיום כאנודה (האלקטרודה העוברת חמצון ומוסרת אלקטרונים לתמיסה). השימוש באנודות LiCoO2 אפשר מעבר ייצור תאים יעילים יותר, ומעבר לשימוש בחומרים אחרים עבור האנודה - דבר אשר הגביר את בטיחותן של סוללות מבוססות תאים אלה, והפחית את מחירן.

שיפור משמעותי נוסף התרחש בשנת 1985, כאשר אקירה יושינו הרכיב סוללה המבוססת על תאי ה-LiCoO2,  ושימוש באנודת פוליאצטילן (Polyacetylen), אשר אפשר הטענה של הסוללה, והביא בהמשך לפיתוח של סוללות יון-ליתיום לשימוש מסחרי.

כיום, מעבר לשימושים אשר הוזכרו, סוללות יון-ליתיום נמצאות בשימוש נפוץ במספר רב של תעשיות, בהן למשל תעשיית הרכב החשמלי: סוללות אלה מאפשרות אחסון כמות גבוהה של אנרגיה בנפח קטן מספיק כדי להתאים לגודל של מכונית - משמע, הן מאפשרות טווח נסיעה המתקרב לטווחי הנסיעה של מכוניות מבוססות מנועי בעירה פנימית. בנוסף, סוללות יון-ליתיום יכולות להיות קטנות מספיק כדי להפעיל קוצבי לב ומכשירים אחרים אשר נישאים על גופם של אנשים הזקוקים להם - ובכך מאפשרות איכות חיים גבוהה יותר למשתמשים, אשר אינם נאלצים לחיות עם מכשיר חשמלי כבד בכל רגע מחייהם.

דמיינו את החיים לפני שני עשורים - טלפונים ענקיים, מכוניות חשמליות היו בגדר חלום ומכשירים רפואיים נישאו בתיק משלהם. הפיתוח של סוללות ליתיום שינה את ההיסטוריה, ובהחלט ראוי לפרס נובל.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] פרס נובל לכימיה לשנת 2019 - הודעה לעיתונות

[2] פרס נובל לכימיה לשנת 2019 - רקע מדעי נוסף