קבוצת המחקר מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון אשר פיתחה בעבר את סוללות הסיליקון–אוויר הראשונות, מציגה פיתוח חדשני: סוללות סיליקון נטענות. החוקרים אף הוכיחו היתכנות על ידי הדגמת מספר סבבי פריקה–טעינה מוצלחים של הסוללה. מה חדשני כל כך בסוללה זאת ומהם היישומים האפשריים שלה?

הסוללה החשמלית הראשונה פותחה כבר לפני יותר מ-200 שנה, על ידי פיזיקאי איטלקי בשם אלסנדרו וולטה [1]. מאז ועד היום פותחו למעלה משבעים סוגים שונים של סוללות. הסוללות נחלקות לשני סוגים עיקריים: סוללות ראשוניות לשימוש חד-פעמי (כגון סוללת אלקליין הנפוצה במכשירי חשמל קטנים) וסוללות שניוניות נטענות לשימוש רב-פעמי (לדוגמה סוללת ליתיום-יון, הנפוצה במכשירים סלולריים).

אז מהי סוללה בעצם? זהו התקן לאגירת אנרגיה, המורכב משלושה רכיבים עיקריים: אנודה (אלקטרודה שלילית, מוסרת אלקטרונים), קתודה (אלקטרודה חיובית, מקבלת אלקטרונים), כל אחת מהן טבולה בתמיסה יונית בעלת מוליכות חשמלית, ו"גשר מלח" – תווך המחבר בין התמיסות ומאפשר מעבר יונים ביניהן (ראו איור). הפרש הפוטנציאלים בין האנודה לקתודה יוצר מתח חשמלי, וכאשר האלקטרודות מחוברות ביניהן במוליך, מתח זה גורם לנדידת יונים דרך גשר המלח, כלומר יוצר זרם חשמלי.

אז מהו האתגר ומדוע ממשיכים להמציא ולייצר סוללות חדשות? החסרונות של סוללות חד-פעמיות ברורים – ניתן להשתמש בהן פעם אחת בלבד, והן מזהמות. סוללות רבות מכילות מתכות כבדות כגון עופרת, אבץ וקדמיום. אלו חומרים רעילים, והם גורמים לזיהום אקולוגי חמור כיוון שהם מחלחלים באדמה ומזהמים את הקרקע ואת מי התהום. סוללות רב-פעמיות מאפשרות אומנם מספר רב של שימושים, אך במקרה של סוללת ליתיום-יון, לדוגמה, הליתיום הוא מתכת יקרה וגורם לזיהום סביבתי. זאת בנוסף לסכנות הכרוכות במקרה של חימום וטעינת-יתר או פריקת-יתר של סוללה זו. לכן יש צורך בפיתוח סוללות רב-פעמיות, זולות, ידידותיות לסביבה ובטוחות לשימוש.

מחקרים רבים עוסקים כיום בפיתוחים מסוג זה, ובשנת 2009 קבוצתו של פרופסור יאיר עין-אלי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון פיתחה סוללות סיליקון–אוויר חד-פעמיות חדשניות. הייחוד שלהן הוא שהאנודה עשויה מסיליקון, והקתודה היא חמצן המגיע מן הסביבה דרך ממברנה חדירה. התגובה הכימית המתרחשת על הקתודה היא תגובה בלתי הפיכה שבה מתקבל חומר בשם סיליקה (SiO₂)  כתוצר הפריקה של הסוללה [2]:

Si⁴⁺ + 2O^2-  ⭢ SiO₂   

הפיתוח שעולה כעת לכותרות הוא סוללות סיליקון נטענות שבהן האנודה עשויה סיליקון והקתודה עשויה תמיסת ברום [3]. במקרה זה, בשונה מסוללות סיליקון–אוויר, התגובה הכימית המתרחשת על הקתודה היא תגובה הפיכה, המאפשרת פריקה של הסוללה וטעינתה מחדש:

Br₃^-_(sol) + 2e^-  ⮀ 3Br ^- _(sol)
(sol בסוגריים = קיצור של solution –  תמיסה)

מדוע כדאי להשתמש בסיליקון לייצור סוללות? ובכן, סיליקון הוא היסוד השני בתפוצתו בקרום כדור הארץ. בנוסף, הוא חומר יציב, בטוח לשימוש, קל משקל ובעל צפיפות אנרגיה גבוהה, תכונה אשר מאפשרת ייצור התקנים לאגירת אנרגיה בנפח קטן יחסית – יתרון משמעותי בתכנון סוללות לרכבים חשמליים, לדוגמה.

במסגרת הניסויים שנערכו במעבדות הטכניון הראו החוקרים כיצד הסיליקון מתמוסס בעת פריקת הסוללה ומשוקע שוב בעת הטעינה, באופן המאפשר פריקה וטעינה לסירוגין. החוקרים אף הצליחו להדגים מספר סבבים של פריקה–טעינה. מובן שמעבר להוכחת ההיתכנות שהוצגה במאמר דרוש מחקר רב לשיפור צפיפות האנרגיה של הסוללה, וכן יש צורך בפיתוח חומרים זולים ובטוחים שיאפשרו פעולה יציבה ומתמשכת. החוקרים מעריכים כי שיפור תהליכי התכנון והפיתוח יוביל להגדלת מספר מחזורי הטעינה ולשיפור הנצילות האנרגטית של הסוללה.

מכיוון שמדובר בפיתוח חדש יחסית, קשה לשער מה תהיה השפעתו על עולם הסוללות בפרט ועל תחום אגירת האנרגיה בכלל. אפשר לקוות כי פיתוח סוללות סיליקון נטענות יסלול את הדרך לייצור סוללות נטענות משופרות ויקדם את פיתוחם של אמצעים לאחסון ואגירה של אנרגיה שיהיו זולים, בטוחים וידידותיים לסביבה.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות:

[1] הרחבה על סוללה חשמלית

[2] המאמר בנושא סוללות סיליקון–אוויר

[3] המאמר בנושא סוללות סיליקון נטענות