סוללת נתרן-יון 12.03.2015

כימאים יצרו סוללת נתרן-יון שפועלת בדיוק כמו סוללת הליתיום-יון שאנו רגילים אליה.

לפני כמה שנים הוצע שהגיע הזמן שהאנושות תחשוב על מחסור קרוב, אבל לא על המחסור הנפט והגז, שממנו אנחנו בדרך כלל חוששים, אלא על המחסור במתכת אלקלית - ליתיום. בחיים שלנו יש יותר ויותר מכשירים אלקטרוניים וכל מיני גאדג'טים. וכולם, מטלפון נייד ועד מכונית חשמלית, משתמשים באנרגיה חשמלית שנאגרת בסוללות. רוב אלה הם סוללות ליתיום-יון. כיום זהו הסוג הנפוץ ביותר של סוללות נטענות. ולמרות שסביר שלא נראה מלחמות על מרבצי ליתיום בעתיד הקרוב, העלות שלה עשויה לעלות. וזה אומר שהגיע הזמן לחשוב על סוללות זולות יותר שישתמשו בתאים אחרים. מפתחים מהמרים על קרוב משפחה הקרוב ביותר של ליתיום במערכת המחזורית - נתרן, כמתכת הרבה יותר נפוצה וזולה.

למה אתה לא יכול פשוט לקחת ולהחליף ליתיום בסוללה בנתרן? הכל עניין של גודל אטומי. למרות שהליתיום והנתרן דומים מאוד בתכונותיהם הכימיות, אטום הנתרן גדול משמעותית מאטום הליתיום. ומתברר שזה קריטי לתפעול הסוללה. לסוללת ליתיום יש שתי אלקטרודות, האחת עשויה פחמן או גרפיט והשנייה עשויה מתחמוצת מתכת כמו קובלט. יוני ליתיום משמשים כנושא מטען בין האלקטרודות, וזו הסיבה, למעשה, הם נקראים סוללות ליתיום-יון. במהלך הטעינה משתחררים יוני ליתיום מאלקטרודת תחמוצת המתכת ועוברים לאלקטרודה השנייה, העשויה מפחמן.

גודלם של אטומי הליתיום הוא כזה שניתן לשלב אותם בקלות במבנה האלקטרודה. תהליך זה נקרא אינטרקלציה, במהלכו יוני מתכת "נלחצים" בין השכבות האטומיות של הגרפיט. במהלך הפריקה מתרחש התהליך ההפוך - יוני ליתיום עוזבים את אלקטרודת הגרפיט וחוזרים לאלקטרודה השנייה.

נקודת המפתח של תהליך אלקטרוכימי זה היא רק שילוב של יונים לתוך האלקטרודה. ככל שזה יעבור מהר יותר וקל יותר, כך הכוח המיידי יכול להיות גדול יותר. אם התהליך איטי, הסוללה לא תוכל לספק את הזרם הדרוש להפעלת המכשיר. זה בדיוק הקושי בפיתוח סוללת נתרן-יון. אלקטרודת פחמן אינה מתאימה מכיוון שיוני נתרן, בשל גודלם, נרתעים ביותר להשתלב במבנה הגרפיט.

לכן אלקטרוכימאים מחפשים חומרי אלקטרודה המתאימים לאלקטרוניקה קונבנציונלית. הרי אפשר לעשות סוללה על יוני נתרן, וזה יעבוד, כל העניין הוא שהיא לא תהיה קטנה, מרווחת ועוצמתית כמו ליתיום. אבל הכוח והגודל הם הפרמטרים החשובים ביותר למכשירים ניידים.

צוות חוקרים בראשות פרופסור יונג ליי מהאוניברסיטה הטכנית של אילמנאו בגרמניה מצא חומר שניתן להשתמש בו לייצור אלקטרודה בסוללת נתרן-יון, כך שהוא לא יהיה נחות מהליתיום מבחינת הספק. ויכולת.

ראשית, הכימאים ניתחו אילו תכונות אמורות להיות לחומר האלקטרודה על מנת להבטיח החדרה יעילה של יוני נתרן. הבחירה נפלה על תרכובות ארומטיות מצומדות ממעמד הטרנס-סטילבן. יש להם את היכולת להעביר מטען, הם יציבים בעת טעינה ופריקה של הסוללה, ויוצרים שכבות בין מולקולריות שביניהן ניתן להחדיר נתרן בקלות.

כימאים בדקו עד כמה אלקטרודה העשויה מחומר כזה תעבוד והתברר שבצפיפות זרם ממוצעת של 1 A/g, הקיבולת תהיה 160 mAh/g, וזה לא נחות בשום אופן מסוללות ליתיום-יון. הסוללה תפקדה היטב גם במבחן הסיבולת, ושמרה על קיבולת של 70% לאחר 400 מחזורי טעינה-פריקה. ולמרות שהיישום המסחרי של הפרויקט עדיין רחוק, התוצאות שהושגו מצביעות על כך שלסוללות נתרן-יון יש את הזכות לחיים והן יכולות, באופן עקרוני, להחליף את סוללות ה-Li-ion המוכרות ממילא.