פריצת דרך בסוללות מצב־מוצק: נפתרה תעלומת הסדקים

מה קורה?

צוות בינתחומי במכון מקס פלאנק לחומרים בני־קיימא הצליח להסביר כיצד נוצר אחד הכשלים המרכזיים שמעכבים את המעבר לסוללות מצב־מוצק. במחקר שפורסם בכתב העת Nature הראו החוקרים כיצד דנדריטים זעירים של ליתיום — מבנים דמויי ענפים שנוצרים בזמן טעינה — מצליחים לבקוע את האלקטרוליט המוצק, לגרום לסדקים ולבסוף לייצר קצר פנימי שמשבית את הסוללה.

החשיבות של הממצא גדולה משום שסוללות מצב־מוצק נחשבות במשך שנים לאחת הטכנולוגיות המבטיחות בתחום אגירת האנרגיה. בניגוד לסוללות ליתיום־יון רגילות, שבהן יש אלקטרוליט נוזלי בין שתי אלקטרודות מוצקות, כאן האלקטרוליט עצמו מוצק. השינוי הזה אמור לאפשר צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, שיפור בבטיחות ועמידות טובה יותר לאורך זמן.

אלא שבפועל, אחת הבעיות העיקשות ביותר הייתה הופעת הדנדריטים. אלה עלולים לצמוח מהאנודה העשויה ליתיום, לחדור דרך החומר המוצק ולהוביל לקצר. השאלה שהעסיקה חוקרים הייתה איך בכלל מתכת רכה יחסית כמו ליתיום מצליחה לשבור חומר קרמי קשיח.

למה זה קורה?

לדברי ד"ר יואווי ז'אנג, המחבר הראשון של המחקר וראש קבוצת "כימו־מכניקה של חומרי סוללה" במכון, היו במשך שנים שתי השערות מרכזיות. לפי האחת, בתוך הדנדריט נבנה מאמץ פנימי שמפעיל עומס מכני על האלקטרוליט הקרמי עד שהוא נסדק. לפי השנייה, אלקטרונים דולפים לאורך גבולות הגרגרים של האלקטרוליט, מעודדים היווצרות גרעיני ליתיום, ואלה מתחברים בהמשך למסלול שחודר דרך החומר.

כדי לבדוק איזו מהאפשרויות נכונה, החוקרים השתמשו בשילוב מתקדם של הכנת דגימות ושיטות אפיון חומרים. לדבריהם, כל שלבי העבודה נעשו בוואקום ובטמפרטורות קריוגניות, כדי למנוע הפרעה של חמצן, מים ואפילו של אלומות האלקטרונים במיקרוסקופים. הם בחנו הן את המאמץ בתוך הדנדריטים והן את העיוות הפלסטי של הליתיום שנלכד בתוך הסדקים.

הבדיקה לא מצאה הצטברות ליתיום לפני קצה הדנדריט — ממצא ששלל את אחד המנגנונים שהוצעו בעבר. במקום זאת, החוקרים הגיעו למסקנה שהדנדריט פועל באופן שמזכיר, לדבריו של ז'אנג, סילון מים רציף שמסוגל לחדור גם סלע. החישובים שלהם הצביעו על כך שמאמץ הידרוסטטי בתוך הדנדריט מוביל בסופו של דבר לשבר פריך של האלקטרוליט המוצק.

כדי לחזק את המסקנה, הצוות שילב גם סימולציות מסוג phase field ומדידות של עקיפה חוזרת של אלקטרונים, שאפשרו לבחון את מבנה החומר והשינויים שמתרחשים בו ברמה המיקרוסקופית.

מה ההיסטוריה?

המרוץ לפיתוח סוללות מצב־מוצק נמשך כבר שנים, בעיקר משום שהטכנולוגיה מבטיחה מענה לכמה מהמגבלות הידועות של סוללות ליתיום־יון. היצרנים מחפשים דרך להגדיל את כמות האנרגיה שניתן לאחסן באותו נפח, להאריך את חיי הסוללה ולצמצם סיכוני התחממות או דליקה הקשורים לאלקטרוליטים נוזליים.

בתעשיית הרכב החשמלי, ההבטחה גדולה במיוחד: סוללה כזו עשויה להעניק טווח נסיעה ארוך בהרבה לעומת דגמים קיימים, ובמקביל לשפר את הבטיחות. גם בתחום האלקטרוניקה הצרכנית מדובר בפוטנציאל משמעותי — למשל סמארטפונים שיפעלו ימים ארוכים יותר בין טעינות.

אלא שהמעבר ממעבדה לייצור מסחרי נתקל שוב ושוב באותה מגבלה בסיסית: הסוללה אמנם בנויה מחומרים מוצקים, אך דווקא המבנה הזה רגיש לסדיקה כאשר דנדריטים נוצרים בזמן טעינה. משום כך, הבנת מנגנון הכשל נחשבת שלב הכרחי לפני שניתן יהיה לתכנן חומרים וארכיטקטורות עמידים יותר.

מה המשמעות?

המשמעות המעשית של המחקר היא לא רק הסבר תיאורטי, אלא גם כיוון הנדסי ברור יותר לפתרון. החוקרים בוחנים כעת כמה אסטרטגיות אפשריות: חיזוק האלקטרוליט המוצק כך שיהיה עמיד יותר לסדקים, יצירת חללים מיקרוסקופיים שיסיטו את צמיחת הדנדריטים ואת התפתחות השבר, או הוספת ציפויי הגנה לאלקטרודות הליתיום כדי להפחית מלכתחילה את היווצרות הדנדריטים.

אם הכיוונים האלה יבשילו ליישום, הם עשויים לקרב את הטכנולוגיה לשימוש מסחרי רחב. עבור הצרכנים, המשמעות עשויה להיות סוללות שמחזיקות זמן רב יותר ופועלות בבטיחות גבוהה יותר. עבור תעשיית הרכב והאלקטרוניקה, מדובר בצעד חשוב בדרך לפתרון אחד מצווארי הבקבוק הגדולים ביותר בפיתוח הדור הבא של מערכות אגירת אנרגיה.

המחקר גם מדגיש עד כמה התנהגות מיקרוסקופית של חומרים משפיעה על ביצועים של מוצרים יומיומיים. במקרה הזה, פענוח האופן שבו ליתיום רך מצליח לבקע קרמיקה קשיחה מספק בסיס מדעי מדויק יותר לתכנון סוללות מצב־מוצק אמינות יותר.