חוקרי MIT זיהו פתרון למכשול מרכזי בסוללות מוצקות

מה קורה?

סוללות מצב-מוצק נחשבות כבר שנים להבטחה גדולה עבור רכב חשמלי: טווח ארוך יותר, טעינה מהירה יותר ובטיחות משופרת בזכות ויתור על אלקטרוליט נוזלי ודליק. אלא שבפועל, התעשייה עדיין לא הצליחה להביא לשוק מכונית סדרתית זמינה לקהל הרחב עם סוללה כזו. אחד החסמים המרכזיים הוא היווצרות דנדריטים — זיזים זעירים של מתכת ליתיום שמתפתחים בתוך הסוללה, פוגעים במבנה הפנימי שלה ועלולים ליצור קצר חשמלי.

כעת צוות חוקרים מ-MIT ומהאוניברסיטה הטכנית של מינכן טוען כי זיהה גורם משמעותי להיווצרות אותם זיזים, וגם דרך לצמצם את התופעה. המחקר פורסם בכתב העת Nature Nanotechnology, ומתמקד במבנה הפנימי של האלקטרוליט המוצק — החומר שמעביר יונים בין האנודה לקתודה.

למה זה קורה?

לפי החוקרים, האלקטרוליט המוצק אינו חומר אחיד לחלוטין, אלא בנוי מאינספור גרגרים מיקרוסקופיים הצמודים זה לזה. בין כל גרגר לגרגר יש אזור מעבר זעיר, המכונה "גבול גרגר". באותם אזורים נוצר, לטענת הצוות, חוסר איזון חשמלי סמוי: יוני הליתיום מתקשים לעבור דרכם בצורה חלקה, ובמקביל אלקטרונים נוטים להצטבר שם. השילוב הזה מעודד צמיחה של דנדריטים.

הארי טולר, פרופסור למדעי החומרים ב-MIT, אמר כי "גבולות הגרגרים הם כמו מזג האוויר: כולם מדברים עליהם, אבל אף אחד לא עושה משהו בעניין". לדבריו, מטרת העבודה הייתה לא רק לתאר את הבעיה, אלא לטפל בה בפועל.

החוקרים בחנו אלקטרוליט מוצק מסוג ליתיום-לנתנום-זירקונאט, והשתמשו בבינה מלאכותית ובכלי מדידה מתקדמים כדי למפות כיצד הזרם נע לאורך גבולות הגרגרים. לאחר שהבינו היכן נוצר חוסר האיזון, הם שינו את אופן עיבוד החומר כך שהפגיעה במבנה תפחת, מעבר היונים ישתפר והסיכון להיווצרות הדנדריטים יקטן.

מה ההיסטוריה?

המרוץ לסוללות מצב-מוצק נמשך כבר שנים, בהובלת יצרניות רכב, ספקיות סוללות וחברות זנק שמבטיחות קפיצת מדרגה בביצועים. ההיגיון ברור: אם אפשר להעלות את צפיפות האנרגיה, לקצר את זמני הטעינה ולשפר את הבטיחות, התוצאה עשויה לשנות את כלכלת הרכב החשמלי ואת חוויית השימוש בו.

אלא שהפער בין הבטחות למוצר מסחרי נשאר גדול. מעבר לדנדריטים, הענף מתמודד גם עם עלויות ייצור גבוהות, קושי לייצר תאים באיכות אחידה ובהיקף גדול, ורגישות לפגמים זעירים בתהליך הייצור. לכן גם כאשר מוצג הישג מחקרי מרשים, הדרך ממעבדה לפס ייצור של מאות אלפי מכוניות בשנה עדיין מורכבת מאוד.

מה המשמעות?

מבחינת תעשיית הרכב, המשמעות של המחקר היא בעיקר הנדסית: אם אכן ניתן לשלוט טוב יותר בגבולות הגרגרים בתוך האלקטרוליט, ייתכן שאפשר יהיה לבנות סוללות מצב-מוצק שיטענו וייפרקו מהר יותר, יאבדו פחות אנרגיה ויחזיקו זמן רב יותר. החוקרים דיווחו על צפיפות זרם גבוהה ביותר מ-300% לעומת דגימת בסיס, נתון שמעיד על שיפור מהותי בביצועי התא בתנאי מעבדה.

עם זאת, לצרכן חשוב לזכור שלא מדובר עדיין בפריצת דרך מסחרית מיידית. הניסוי בוצע במעבדה, ולא במכונית סדרתית או בסוללה שמיוצרת בהיקפים גדולים. יצרניות רכב וחברות סוללות מפתחות במקביל פתרונות קנייניים משלהן, ולכן לא בטוח שהשיטה הזו תהיה זו שתגיע ראשונה לכביש. מה שכן, המחקר מספק כיוון מעשי לבעיה שנחשבת עד היום לאחד המוקשים הגדולים של התחום — וזה צעד חשוב בדרך לסוללות עם טווח ארוך יותר, טעינה מהירה יותר ועמידות גבוהה יותר ברכב חשמלי עתידי.