הסוללה שתשנה את התחבורה החשמלית

תעשיית המכוניות החשמליות גדלה בקצב מהיר. שינויים קטנים הופכים סוללות ליעילות יותר, בטוחות יותר ובעלות זמן טעינה מהיר יותר. הטווח המקסימלי של טסלה מודל S בשנת 2012 עמד על כ-335 ק"מ, כיום הוא הגיע לסביבות ה-650 ק"מ. הבטריות עצמן גדלות, מחירן יורד והיעילות של שלהם משתפרת כל הזמן. 

ועדיין, טווח הוא אתגר משמעותי עבור מכונית חשמלית. רוב המכוניות החשמליות המתקדמות שנעות על הכביש מספקות כ-300 ק"מ של טווח. הדור הבא שצפוי להגיע לארץ ישנה זאת, בקרוב טווח של 400-500 ק"מ יהיה יותר ויותר ריאלי. 

ועדיין, אפשר יותר טוב. פה נכנסת טכנולוגיה חדשה שצפויה לשנות לחלוטין את המכונית החשמלית. הסוללה החדשה נקראת: Solid State Battery. 

לפני שנספר לכם על היתרונות של הטכנולוגיה החדשה בואו נבין רגע כיצד סוללות פועלות. 

איך עובדת סוללה?

לפני שנמשיך נציין שאנחנו לא מדענים ולכן ההסבר פשוט ויתכנו אי דיוקים קלים. 

סוללה בנויה משלושה חלקים מרכזיים: אנודה (Anode) – קוטב שלילי, קטודה (Cathode) – קוטב חיובי ואלקרוליט – תווך המפריד בין הצדדים ועשוי בדרך כלל מחומצה, מלח או משהו העשוי מנוזל או ג'ל. בגדול אלקטרונים חופשיים שנוצרים בצד אחד (בדרך כלל בצד השלילי) שואפים להגיע לצד השני – החיובי. כדי להגיע הם עוברים על מוליך ועל הדרך מספקים זרם חשמלי. 

רוב הסוללות המתקדמות כיום נעזרות בליתיום כחומר המשחרר אלקטרונים והופך ליונים. דרך אגב, יונים זה לא הדבר שמשאיר לכם לכלוך נוראי ועושה קולות בבוקר. יונים הם אטומים בעלי מטען לא שווה של אלקטרונים ופרוטונים. יונים אלו עושים את המסע מצד לצד של הסוללה אך לא דרך המוליך אלא דרך לוח מפריד המאפשר להם ליצור סביבה ניטראלית יותר בצד השני. 

מסובך? לא ברור? יש הרבה חומר ברשת על הצד הטכני של העניין. 

למה סוללות ליתיום כיום מוגבלות יחסית?

לסוללות בכלל ולסוללות ליתיום יש כמה בעיות מרכזיות. ראשית, כל מפגש בין שני הצדדים עלולה לגרום לתגובה חריפה ולמעבר לא מבוקר של אנרגיה. כשאתם שומעים על פלאפון נייד או בטרייה של קורקינט שהתפוצצה – זאת בדרך כלל הסיבה. 

מעבר מהיר של יונים מצד לצד יוצר עמודים זעירים (Dendrites) שמתפתחים בין שני הצדדים ועלולים להפגיש בניהם.

לפני שנמשיך – התופעה הזאת נדירה. היא מתרחשת אחד למיליוני, ואולי מאות מיליוני מכשירים (או ב-Galaxy Note 7 מהדור הראשון). הבעיה היא לא בסיכוי שהסוללה שלכם תתפוצץ אלא בעובדה שכדי למנוע זאת צריך להאט את קצב מעבר היונים מצד לצד. ומתי הם עוברים? בטעינת הסוללה. 

למעשה כדי למנוע תהליכים שיהרסו את הסוללה אנחנו פוגעים ביכולות שלה פעמיים. ראשית, העוצמה אותה אנחנו מחלצים מהסוללה נמוכה יחסית ושנית אנחנו מטעינים לאט יותר.. 

הבעיה נוספת היא היותו של הליתיום חומר קצת עצבני - ריאקטיבי. . מפגש של ליתיום עם אוויר יכול להיות לא נעים ולכן בתהליך הפיתוח צריך סביבה נקייה מחמצן – סביבה כזאת מייקרת את תהליך הפיתוח.

בעיה אחרונה היא הזמינות של החומרים. ליתיום הוא אחד החומרים היותר נדירים בסביבה יחד עם ניקל וקובלט – על כל גרם של ליתיום יש בקרום כדור הארץ בערך 13.5 קילוגרם של סיליקון, 4.0 קילוגרם של אלומיניום ו-3.1 קילוגרם של ברזל. בטסלה מודרנית יש כ-7 ק"ג של ליתיום ומכאן ההבנה שליתיום הוא שחקן בעייתי שמייקר את התהליך.

מהי סוללת Solid State

ההבדל המרכזי בין סוללת סוליד-סטייט לבין סוללה רגילה נובע מהמבנה של האלקטרוליט. בסוללה רגילה הרכיב הזה כאמור עשוי מג'ל או נוזל. הבעיה עם החומרים הללו שבמקרים מסוימים, מסיבות שונות, יכול הנוזל להתאדות, אז כאמור מתחילות בעיות הבטיחות. 

השם Solid-State נובע מהחלפת האלקטרוליט הנוזלי באלקטרוליט מחומר מוצק. החומר המוצר מאפשר עמידות רבה יותר בפני שינויי טמפרטורה וגורם לסוללה להיות פחות דליקה. המעבר לחומר מוצק מאפשר לעצב את האלקטרוליט באופן נוח יותר ולחסוך מקום – מאפיין שעשוי להשפיע גם על משקל הסוללה. נתון נוסף הוא המעבר של היונים מצד לצד. בבטרייה עם חומר מוצק המעבר נעשה מהר יותר וכך מתקבל זמן טעינה מהיר יותר. 

עניין נוסף הוא החומר ממנו עשוי האלקטרוליט. במקרים רבים החומר הזה יכול להיות סוג של זכוכית או סולפיד – חומרים זולים בהרבה ממה שמשתמשים בהם היום. 

הנקודה המשמעותית היא, שמדובר בטכנולוגיה חדשה. אנחנו כבר עברנו את שלב המחקר ואנחנו נמצאים בתחילתו של השלב היישומי. סמסונג כבר הציגה את המאפיינים של סוללת ה-Solid State שלה וכך גם חברות נוספות. למרות זאת, הטכנולוגיה עוד לא מושלמת וצריך זמן כדי לפתור אתגרים משמעותיים. אחד המעניינים שבאתגרים הם העמודים (Dendrites) שיכולים לפגוע גם בסוללה כזאת. חברה בשם QuantumScape בה מושקעות פולקסווגן וקונטיננטל מצאה פתרון. בטכנולוגיה של QS הפולימר שממנו מיוצר החומר המוצק מונע את היווצרות העמודים. בנוסף, ב-QS מציעים סוללה בה אין אנודה (Anode) – למעשה אין מבנה שמחזיק את יוני הליתיום ולכן האזור המוקדש לקוטב השלילי קטן בהרבה. 

יישומים לסוללות Solid State. 

כיום האנרגיה הזמינה של סוללות ליתיום קטנה יחסית. עם דלק מספק כ-9,500 וואט לליטר סוללת ליתיום מעולה תספק כ-600 וואט לליטר, הממוצע כמובן יותר נמוך. אבל מנוע בנזין מעולה יכול לנצל רק עד 40% מהאנרגיה המיוצרת בגלל אובדני כוח, כלומר כ-3,800 וואט בפועל בעוד הפוטנציאל של ליתיום יכול להגיע בתרחיש אופטימלי עד כ-6,000 וואט לליטר. 

סוללות עם אלקטרוליט מוצק יוכלו בקרוב מאוד לספק כבר-900 וואט. כלומר, הסוללות המתקדמות ביותר היום מציעות כ-66% מכך. בואו ניקח לדוגמא מכונית חשמלית שיכולה לנסוע היום 300 ק"מ, נניח שהיא מצוידת בבטרייה המתקדמת ביותר. באמצעות הדור הבא של הסוללות אותה מכונית תוכל לנסוע 450 ק"מ ללא כל שינוי מבני. היות ומדובר בסוללות זולות יותר וקלות יותר – נוכל להתאים סוללות בעלות טווח משמעותי באותה העלות. אם נחליט לצמצם את כמות הסוללות עדיין נרוויח – כי מכונית תהיה קלה יותר – ומכאן שהיא תיסע יותר מ-300 ק"מ. 

מתי הסוללות המתקדמות יהיו כאן?

ממש בקרוב (במונחי פיתוח רכב). למעשה טויוטה הבטיחה שחלק מהמכוניות שילוו את אולימפיאדת טוקיו 2020 יונעו ע"י סוללות Solid State. אז נכון, לא אולימפיאדה והרכב רק אב טיפוס.

ובכל זאת, זה קרוב. בסין, מהמדינות המתקדמות בתחום, כבר בתקופה הקרובה צפויות לנוע מכוניות ראשונות עם סוללות שכאלו. בטלפונים הן יגיעו בתוך שנתיים עד 4 שנים ובמאסות גדולות בתחום הרכב אנחנו צפויים ליהנות מהן כבר בתוך 5 שנים אם לא יחול איזשהו שינוי מפתיע. 

רוצים לדעת עוד על העתיד החשמלי המגיע בקצב מהיר? עקבו אחרינו בבלוג וברשתות חברתיות.