פרס נובל בכימיה הוענק ב-2019 לשלושה חוקרים על פיתוחן של סוללות ליתיום-יון, הסוללות הנטענות הקלות והיעילות שסללו את הדרך למהפכות בתחומי האלקטרוניקה, התקשורת והתחבורה.

סוללות ליתיום-יון, שנכנסו לחיינו לפני כמעט שלושה עשורים, הפכו למרכיב מרכזי בחיינו, והיו אבן דרך חשובה בקפיצת הדרך הטכנולוגית של שנות ה-2000.

פרס נובל בכימיה הוענק ב-2019 לשלושה חוקרים על פיתוחן של סוללות ליתיום-יון, הסוללות הנטענות הקלות והיעילות שסללו את הדרך למהפכות בתחומי האלקטרוניקה, התקשורת והתחבורה

כיום סוללות ליתיום-יון משמשות במכשירים אלקטרוניים, ובמכשירים חשמליים רבים משואבי אבק ביתיים ועד כלי עבודה מקצועיים כמו מקדחות ומסורים. מכוניות חשמליות מבוססות גם הן על סוללות ליתיום יון, ומהפכת כלי הרכב הדו-גלגליים החשמליים, כמו אופניים וקורקינטים, התחוללה במידה רבה בזכות הפיתוח הזה .

טלפונים סלולריים חכמים נכנסו לחיינו בעשור הראשון של המאה עם השקת הדור הראשון של I-Phone של חברת אפל. הטכנולוגיה של הטלפונים הסלולריים התפתחה ב-15 השנים האחרונות והדורות האחרונים של הטלפונים הסלולריים טובים בהרבה מהטלפונים הסלולריים של לפני 15 שנה. התפתחויות אלו התאפשרו בעקבות פיתוח של סוללות ליתיום-יון.

כיום אי אפשר לתאר את חיינו בלי הטלפונים הסלולריים המודרניים, וטלפונים אלו דורשים סוללות טובות יותר, בטוחות יותר, עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (יותר חשמל ליחידת משקל ונפח), וזמן טעינה קצר יותר. אלא שהמדענים והמהנדסים מאמינים כי טכנולוגיית סוללות הליתיום-יון המסורתית מתקרבת למלוא הפוטנציאל שלה ויש צורך בסוגים חדשים של סוללות.

דברים דומים אשר לומר גם על שני תחומים נוספים: מכוניות חשמליות ואחסון חשמל ברשת החשמל המבוססים כיום על סוללות ליתיום-יון. מכוניות חשמליות צריכות סוללות בטוחות, עם צפיפות אנרגיה גבוהה, משך חיים ארוך, והנטענות במהירות. אך סוללות ליתיום-יון של ימינו אינן עונות לדרישות אלו, הן מהוות סיכון בטיחותי, כבדות מדי, יקרות מדי, ונדרש זמן רב להטעין אותן.

כיום אי אפשר לתאר את חיינו בלי הסלולריים המודרניים, הדורשים סוללות טובות ובטוחות יותר, עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר וזמן טעינה קצר יותר. אלא שהמדענים מאמינים כי נדרשים סוגים חדשים של סוללות

כדי לענות לדרישות אלו, ולהתגבר על מגבלות סוללות ליתיום-יון המסורתיות, פותח לאחרונה דור החדש של סוללות, סוללות ליתיום מצב מוצק lithium solid state battery (או ליתיום-יון מצב מוצק), בהן האלקטרוליט הנוזלי או בצורת ג'ל הוחלף באלקטרוליט מוצק.

לסוללות ליתיום מצב מוצק יש יתרונות רבים, הן בטוחות יותר – ללא סיכון לשריפה, הן קלות יותר, עם צפיפות אנרגיה ליחידת משקל (Wh/Kg) והספק ספציפי גדול יותר (Kw/Kg) עד פי 2–8 לעומת סוללות ליתיום-יון רגילות, ועם זמני טעינה מהירים יותר.

הסילוק של האלקטרוליטים הנוזליים הנמצאים בסוללות ליתיום-יון "רגילות" משפר את הבטיחות, ומרחיב את ביצועי הטמפרטורה של סוללות ליתיום מצב מוצק.

יש גם יתרונות בעלות הסוללה. מארזים פשוטים וזולים יותר בשל בטיחות גבוהה יותר, עלות אחריות נמוכה יותר, וגמישות בתכנון הרכב. בנוסף, סוללות אלו ניתנות למיחזור בתשתית מיחזור הסוללות של ליתיום-יון קונבנציונליות. אותן שיטות למיחזור סוללות ליתיום-יון יעבדו גם עבור סוללות מצב מוצק. המומחים אינם צופים צורך בתהליכים נוספים ובהשקעה הוספת בתשתית המיחזור.

סוללות אלו יכולת להגדיל את הטווח של מכוניות חשמליות בכ-80%, והתחזית היא להקטנת זמן הטעינה הנדרש למילוי הסוללה מ-10% ל-90% מקיבולת הסוללה במלואה, לקצר מ-20 דקות, והכל בעלות סוללה נמוכה יותר.

בלומברג NEF מצפה כי ניתן לייצר תאים אלה במחיר של 40% מעלות סוללות ליתיום-יון הנוכחיות, בייצור בקנה מידה גדול. הפחתות אלו נובעות מחיסכון בחשבון החומרים ובעלות הייצור והציוד, ואימוץ קתודות חדשות בצפיפות אנרגיה גבוהה.

לסוללות ליתיום מצב מוצק יש יתרונות רבים, הן בטוחות יותר – ללא סיכון לשריפה. קלות יותר, עם צפיפות אנרגיה ליחידת משקל והספק ספציפי גדול יותר ועם זמני טעינה מהירים יותר

מספר חברות סטארט-אפ ויצרני יצרנים קיימים שניסו לפתח סוללות מצב מוצק הודיעו על חידושים שיכולים להאיץ את אימוץ הסוללות ברכב חשמלי ולספק חלופה בטוחה וזולה יותר לסוללות ליתיום-יון רגילות.

חברת קוונטוםספייס QuantumScape פיתחה תא סוללה מצב מוצק שאינו דליק, שיכול להיטען ל -80% מהקיבולת תוך 15 דקות, לשמור על יותר מ-80% מהקיבולת שלו לאחר 800 מחזורי טעינה. תא הסוללה הוא בעל צפיפות אנרגיה נפחית של יותר מ-1,000 וואט-שעה לליטר, כמעט כפול מצפיפות האנרגיה של תאי ליתיום-יון מסחריים.

חברת סוליד-פאוור Solid Power, סטארט-אפ בן שש שנים, פיתח תא סוללה מצב מוצק מתפקד. בו האלקטרוליט הנוזלי הדליק הנמצא בסוללת ליתיום-יון רגילה הוחלף באלקטרוליט מוצק על בסיס סולפיד (גופרית).

סוליד פאוור החלה לייצר סוללות ליתיום מתכת מצב מוצק, עם קיבולת של 330 וואט-שעה לק"ג, בקו הייצור הרציף שלה במפעל פיילוט בקולורדו. לחברה מפת דרכים ליותר מ-400 וואט-שעה לק"ג עד שנת 2022.

בחברה צופה לעבור לקו ייצור של סוללות ב-2021 עם התכונות הבאות: פעולה ב-10 צלזיוס, טעינה מהירה של 50% מקיבות הסוללה בתוך 15 דקות בטמפרטורת החדר.

החברה צופה כניסה לתהליך ההסמכה הרשמי של חברת המכוניות בתחילת 2022 עם תאי סוללה מצב מוצק בקיבולת גדולה עוד יותר.

מספר חברות סטארט-אפ ויצרני יצרנים קיימים שניסו לפתח סוללות מצב מוצק הודיעו על חידושים שיכולים להאיץ את אימוץ הסוללות ברכב חשמלי ולספק חלופה בטוחה וזולה יותר לסוללות ליתיום-יון רגילות

טויוטה מפתחת תא מצב מוצק שלדברי גורמים בחברה יוכל לבצע נסיעה של 500 ק"מ בטעינה אחת ולהיטען מאפס לקיבולת מלאה בתוך 10 דקות, ועם סיכוני בטיחות מינימליים. כאן וכאן.

טויוטה תכננה לחשוף את סוללת מצב מוצק שלה באולימפיאדת טוקיו השנה, שנדחתה בגלל הקורונה. החברה מתכננת להיות החברה הראשונה שמוכרת רכב חשמלי המצויד בסוללת מצב מוצק בתחילת העשור, וצפויה לחשוף אב טיפוס בשנה הבאה.

האתגר הגדול בסוללות ליתיום-מתכת היה הכימיה שלהן. סוללות ליתיום מעבירות יוני ליתיום מהקתודה לאנודה דרך אלקטרוליט מוליך. כאשר האנודה עשויה ממתכת ליתיום, נוצרים על פני השטח מבנים דמויי מחט הנקראים דנדריטים dendrites. מבנים אלה צומחים כמו שורשים לתוך האלקטרוליט, חודרים את המחסום המפריד בין האנודה לקתודה, וגורמים לקצר בסוללה ואף לכך שתעלה באש.

הטכנולוגיה של סוללות ליתיום מצב מוצק פותחה בשנות התשעים ויצרה סוג חדש של אלקטרוליטים מוצקים. בסוללות מצב מוצק מסלקים את האלקטרוליט הנוזלי (הדליק) ואת שכבת ההפרדה הפולימרית הנמצאת בסוללת ליתיום-יון ומחליפים אותם באלקטרוליט מוצק. שכבת האלקטרוליט המוצק משמשת גם כמחסום המונע קצר בין האנודה והקתודה, וגם כאלקטרוליט מוליך בדומה לאלקטרוליט הנוזלי הנמצא בתא ליתיום-יון קונבנציונלי.

מדענים בטוקיו טק Tokyo Tech פיתחו סוללות ליתיום מצב מוצק עם תכונות אלקטרוכימיות מצוינות העולות במידה ניכרת על אלו של סוללות ליתיום-יון מסורתיות והנמצאות בכל מקום. ובכך הוכיחו את היתרונות של טכנולוגיית סוללות מצב מוצק ואת הפוטנציאל שלה לחולל מהפכה בתחום אחסון אנרגיה באלקטרוניקה ניידת ובתחומים אחרים.

טויוטה מפתחת תא מצב מוצק, שלדברי גורמים בחברה יוכל לבצע נסיעה של 500 ק"מ בטעינה אחת ולהיטען מאפס לקיבולת מלאה בתוך 10 דקות, ועם סיכוני בטיחות מינימליים

במחקר שפורסם בג'ורנל נייצ'ר Nature מה-12 למאי 2021, החוקרים מתארים תכנון סוללת ליתיום מצב מוצק כדי להשיג צפיפות זרם גבוהה במיוחד ultrahigh current density. הסוללה יציבה מאוד, עם שמירת קיבולת של 82% לאחר 10,000 מחזורים בקצב טעינה מהיר. מבנה הסוללה מאפשר קיבולת אנרגיה גבוהה, עד 631.1 וואט-שעה לק"ג (Wh/Kg), לעומת סוללות ליתיום-יון 'רגילות' שיכולות להגיע לכ-250 וואט-שעה לק"ג (Wh/Kg).

שין לי, פרופסור חבר למדעי החומרים באוניברסיטת הרווארד וצוותו תכננו סוללת הליתיום מצב מוצק רב-שכבתית עם חומרים שונים בין האנודה לקתודה, המונעת את חדירתם של דנדריטים וקצרים בסוללות. סוללת הליתיום מצב מוצק שפרופ' לי וצוותו תכננו ושעברה הוכחת התכנות, היא סוללה יציבה שניתן לטעון ולפרוק לפחות ב-10,000 מחזורים. הרבה יותר מחזורים ממה שהוכח בעבר, ובצפיפות זרם גבוהה.

טכנולוגיית סוללות זו עשויה להאריך את משך חיי הרכבים החשמליים ל- 10 עד 15 שנים ללא צורך בהחלפת הסוללה, בדומה למשך החיים של מכוניות עם מנוע בנזין. הסוללה החדשה עם צפיפות הזרם הגבוהה שלה, יכולה לסלול את הדרך לרכבים חשמליים שיכולים להיטען במלואם תוך 10 עד 20 דקות.

הוכחת ההתכנות לתכנון הסוללה הרב-שכבתית מורה כי סוללות ליתיום מצב מוצק יכולות להיות תחרותיות עם סוללות ליתיום-יון מסחריות, והגמישות והרב-תכליתיות של העיצוב הרב-שכבתי הופכות אותן לתואם פוטנציאלי להליכי ייצור המוני בתעשיית הסוללות. המעבר לסוללת ליתיום מצב מוצק מסחרית לא יהיה קל ועדיין ישנם כמה אתגרים מעשיים, אך פרופ' לי וצוותו מאמינים שניתן יהיה להתגבר עליהם.

ב.מ.וו ופורד עשו צעד גדול בקידום המכוניות החשמליות שלהם לפני מספר שבועות, כאשר השקיעו בחברת 'סוליד פאוור', Solid Power חברת סוללות ליתיום מצב מוצק.

פורד וב.מ.וו אינן יצרניות הרכב היחידות שבודקות את הטכנולוגיה הזו. בשנת 2012 טויוטה החלה לערוך מחקר ליישומי רכב וכעת היא מחזיקה ברוב הפטנטים הקשורים לסוללות מצב מוצק באמצעות השותפות הארוכה שלה עם יצרנית האלקטרוניקה פנסוניק. חברת דייסון בדקה את הטכנולוגיה אך זנחה את תוכניתה לבנות מכונית חשמלית באמצעותה. גם יצרנית המצתים NGK בודקת את התחום. חברת סוליד פאוור מקולורדו, שהוקמה בשנת 2012, היא המובילה הנוכחית בתחום סוללות מצב מוצק.

טכנולוגיית סוללות זו עשויה להאריך את משך חיי הרכבים החשמליים ל-10 עד 15 שנים ללא החלפת הסוללה, כחיי מכוניות עם מנוע בנזין. הסוללה החדשה יכולה לסלול דרך לרכבים חשמליים שייטענו במלואם תוך 10-20 דקות

הטכנולוגיה של סוליד פאוור מאפשרת להשתמש בקתודות מהדור הבא בלי ניקל, מנגן, קובלט. (NMC). ולהוזיל את מחיר הקתודה מ- 35 דולר לקוט"ש, לכ -3 דולר לקוט"ש.

באוקטובר 2020 הודיעה חברת סוליד פאוור על ייצור ומסירה של הדור הראשון של סוללות ליתיום מצב מוצק שלה. הסוללות מיוצרות בטכנולוגיה הקיימת, בשימוש בקווי ייצור קיימים, באמצעות תהליכים סטנדרטיים בתעשיית סוללות ליתיום-יון וציוד אוטומטי, מה שמאפשר לבצע הגדלה מהירה בכושר הייצור בפחות הוצאות. לפי החברה, עלות התהליך שלה קטן בכ-35% מהעלות במתקן טיפוסי גדול. יתרה מזאת, קו הייצור הנוכחי מאפשר ייצור בעתיד באמצעות חומרים בטוחים יותר ושימוש בגופרית הנמצאת בשפע.

בדצמבר 2020, הודיעה סוליד פאוור, כי המפעל שלה בקולורדו מייצר סוללות ליתיום מצב מוצק בקיבולת של 20 Ah (כ-70 Wh), בקו הייצור הרציף של החברה. לסוללה יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מכל סוללת ליתיום-יון מסחרית המיוצרת כיום, כ-330 וואט-שעה לק"ג, וצפי ליותר מ-400 וואט-שעה לק"ג עד שנת 2022.

סוללות ליתיום מצב מוצק משנות את חוקי המשחק במכוניות חשמליות, במערכות אגירת חשמל בבית, וברשת החשמל (בעיקר בתחנות המשנה), בטלפונים סלולריים, ובמיכשור נייד. בקצב ההתפתחויות המדעיות והטכנולוגיות המהירות של השנים האחרונות, נראה שסוללות אלו יהפכו למוצר מדף מסחרי מוביל בתוך שנים ספורות, לפני 2025.

אמנון פורטוגלי הוא חוקר תאגידים, ניאוליברליזם ואנרגיה.