הנה הצצה לעתיד הקרוב של טכנולוגיית הסוללות

עד שהקולונל ברנט וילסון הפך למפקד הבסיס במחנה סמית' של אואהו, הוא הוצב במלחמות המפרץ ועיראק והוביל פעולות הגנה רבות בקוסובו. אבל האויב שעמד בפניו בבסיס הוואי היה שונה מכל מה שראה בשדה הקרב כטייס מסוק בחיל הנחתים. הוא נאלץ להתמודד עם תשתית אנרגיה מזדקנת שנרמסת באופן קבוע על ידי מזג אוויר טרופי.

"כל רשת החשמל ירדה באופן שגרתי והוציאה אותנו מהעסק", מסביר ווילסון, שבאותו זמן היה גם חלק מהצוות האחראי על פעולות ההגנה ברחבי האוקיינוס ​​השקט. "אתה לא באמת יכול לקבל את זה."

אבל למאבק בתשתית גרועה היה גם בעל ברית שלא נוצל: אור השמש. וילסון התחיל מסע פרסום להתקנה פנלים סולאריים וסוללות תעשייתיות שיכולות לשמור את החלקים החיוניים של המבצע מקוונים כאשר סופות מכות. הניסיון הזה סייעה לו בסופו של דבר לקפוץ לקריירה שנייה: מכירת סוללות גדולות מספיק כדי להפעיל את הבית שלך מחוץ לרשת.

בום הסוללה

שוק הסוללות התגבר בעשורים האחרונים וצפוי לעלות בעוד 12% בחמש השנים הקרובות, על פי מודיעין מורדור

. עד 2025, זה יהיה שוק של 90 מיליארד דולר. במהלך העשור האחרון, חברות כמו טסלה, דייסון ודיימלר ביצעו כולן השקעות של מיליארדי דולרים בתעשייה, או רכשו חברות קטנות יותר או בנו מפעלים חדשים. אם הסצנה הקלאסית ההיא מ הבוגר צולמו היום, עצת הקריירה של מילה אחת שניתנה לדמותו של דסטין הופמן לא תהיה "פלסטיק", אלא "סוללות".

מה יניע את כל הצמיחה הזו? מחירי סוללת הליתיום-יון יורדים, האלקטרוניקה האישית ומכוניות חשמליות מסתובבות בהן, ובין גורמים נוספים, יותר בעלי בתים וחברות חשמל המחפשות לאחסן שמש ורוח אֵנֶרְגִיָה.

יחד עם הצמיחה הזו מגיעה הרבה בזבוז. למרבה הצער, רוב הסוללות מסתיימות במזבלות. שיעורי המיחזור של תאי ליתיום-יון הם איומים: בערך 5% עבור ארצות הברית והאיחוד האירופי. חוקרים מוצאים דרכים להפוך את סוללות הליתיום-יון ניתנות למחזור יותר, אבל גם אם זה יקרה, אנחנו עדיין צריכים לשנות את ההרגלים של אנשים ותאגידים שאינם ממחזרים סוללות כלל ומשליכים אותם על ידי זריקתן אַשׁפָּה.

יתר על כן, כמה מומחים אומרים שיש כמות מוגבלת של ליתיום זמינה, אם כי עד כמה מוגבלת עומדת לדיון. הכרייה של זה ושל קובלט (המשמש בדרך כלל לאלקטרודה חיובית של סוללת ליתיום-יון) מגיעה לרמה סביבתית גבוהה מחיר אנושי. בנוסף, מחיר הקובלט עלה בצורה ניכרת בשנים האחרונות.

כל זה מעלה את השאלה: האם יש סוללות זולות יותר וידידותיות יותר לסביבה? אולי אנחנו משתמשים במשהו טוב יותר? מה צופן העתיד?

הרבה אנשים חוקרים את אפשרויות. מאז שנות ה-90, יותר מ-300,000 פטנטים הקשורים לסוללה הוגשו (יותר מ-30,000 ב-2017 בלבד). בעוד שאחוז גדול מההמצאות הללו קשור לטכנולוגיית ליתיום-יון, נעשית עבודה רבה על אלקטרוליט מוצק, אנודה מבוססת סיליקון, ליתיום-אוויר, גרפן ואפשרויות אחרות, שחלקן ידידותיות לסביבה ואחרות שאינן טובות יותר מבחינה סביבתית מאשר ליתיום-יון אבל אולי יותר יָעִיל.

בעוד שרוב סוגי הסוללות החדשים הללו כנראה לא ישווקו באופן נרחב כמו ליתיום-יון (לפחות בעשורים הבאים), הם יכולים לשרת שווקי נישה גדולים באמת. הנה כמה מהפופולריים שבהם.

ליתיום ברזל פוספט

זמן קצר לאחר אל"מ. וילסון פרש מהצבא, בכירים מחברת פאנלים סולאריים ביקשו ממנו לטבול לתוך שנות רכישת אגירת האנרגיה שלו ידע (הצבא הוא אחד ממשתמשי הסוללה הגדולים בעולם), צא לטיול ל-CES בלאס וגאס, וסקר את היבול הנוכחי של הבית סוללות. לאחר הטיול, הוא יצר גיליון אלקטרוני ענק כדי להסביר מדוע הוא לא מרוצה מהאפשרויות שראה. הסוללות הטובות ביותר היו במחיר מופקע עבור בעל הבית הממוצע (30,000 דולר פלוס) או שלא היה להם מספיק כוח. לאחר מכן הוא עבד עם NeoVolta כדי ליצור שורה של סוללות, שעלותן בדרך כלל בספרות דו-ספרתיות נמוכות מאוד.

כימיקלים בעלי חשיבה סביבתית יגידו לך את זה במהירות ליתיום-ברזל-פוספט אחסון אנרגיה הוא רק סוג נוסף של סוללת ליתיום-יון, אם כי עם כמה יתרונות בולטים: היא זולה יותר, אנרגיה צפופה יותר, חיים ארוכים יותר ולא יתלקחו אם החלק הפנימי יקרע (מה שיכול לקרות עם ליתיום-יון סוללות). החסרונות? הוא כבד במיוחד (ולכן עדיף אם הוא יושב במרפסת האחורית שלך ולא בטלפון), המארז עדיין מכיל ליתיום, ומסלול המיחזור אינו ברור.

ככזה, מעטים אימצו סוללות ליתיום-ברזל-פוספט, מה שמקשה לדעת עד כמה קצב המיחזור שלהן טוב. כמה חוקרים טוענים שקל יותר לפרק אותם לחלקים מרכיבים.

ליתיום-גופרית

כמה מומחים מהמרים על אגירת אנרגיה של ליתיום-גופרית כדי להחליף את הליתיום-יון שכן הסוללות נוטות להיות קלות יותר וצפופות יותר באנרגיה. גם גופרית יש בשפע וזולה יותר.

מה ההבדל בין אופן הפעולה של סוללות ליתיום-יון וליתיום-גופרית? פרופסור לינדה נזאר, שהמעבדה שלו באוניברסיטת ווטרלו בקנדה חוקרת סוללות ליתיום-גופרית במשך 10 השנים האחרונות, משתמשת באנלוגיה של מוסך החניה כדי לתאר את ההבדלים. בעוד טעינה ופריקה של סוללת ליתיום-יון היא כמו נסיעה במכוניות פנימה והחוצה מחניון, סוללת ליתיום-גופרית "כמעט הורסת את כל מבנה החניון ולאחר מכן בונה אותו מחדש כאשר אתה מטען מחדש התא."

התגובה הכימית דומה למה שקורה בסוללת עופרת-חומצה שבה יש טרנספורמציה מבנית וכימית מלאה. לסוללות "המרה" אלו יש יתרונות ואתגרים משלהן. "יש להם יתרון שהם מסוגלים לאחסן יותר אלקטרונים", אומר נזאר. מצד שני, לגופרית מוליכות נמוכה יחסית ונפח הסוללות משתנה לאחר הפריקה. הצוות במעבדה של אוניברסיטת ווטרלו מכוונן את הרכיבים בסוללה כדי להגדיל את חיי המחזור ולמטב את תגובות הסוללה. אם חלק מהאתגרים של הסוללה ייפתרו, נאזר צופה שישמשו אותם בתעופה וגם ברחפנים. ה מטוסי זפיר כטב"מים, שטסו ביצעו חלק מהטיסות הארוכות המונעות באמצעות חשמל, מסתמכים לעתים קרובות על סוללות ליתיום גופרית.

נתרן-יון

כפי שמתברר, אלמנט הטבלה המחזורית שכל כך רע ללב שלך הוא די טוב לסוללות. מחקר בסוללות נתרן-יון החל בשנות ה-70, בערך באותו זמן עם אחסון אנרגיית ליתיום-יון. שני היסודות הם שכנים בטבלה המחזורית. ואז ליתיום-יון המריא, ונתרן-יון נחשב גם פחות אנרגטי-רץ במשך שלושת העשורים הבאים.

"זה נראה כמו הדבר הכי טוב שיש", אומר נזאר, שהמעבדה שלו עובדת גם עם אחסון אנרגיה מבוסס נתרן. "סוללות נתרן-יון נותנות לאדם את האפשרות לעבוד עם יסודות שופעי אדמה - אלקטרודות חיוביות העשויות מחפצים כמו ברזל, מנגן וטיטניום - יסודות בעלות נמוכה בהרבה. אבל לגרום לכימיה הזו לעבוד היטב זה אתגר כי זה פשוט לא זהה לליתיום."

נזאר מציינת שחלק מהחברות לא חושבות שכדאי להשקיע בסוללות נתרן-יון כי העלות של סוללות ליתיום-יון יורדת כל הזמן.

"אני חושבת שכדאי להשקיע משאבים רבים בסוללות נתרן-יון", היא אומרת. "אם יש רגע א-הא שבו סוללות נתרן-יון עובדות טוב מאוד, עם צפיפות אנרגיה גבוהה, זה יהיה צעד ענק קדימה."

סוכר

תאמינו או לא, אפשר להפעיל סוללה על סוכר כמו פעוט שקפץ על קייק פופס. סוני פרסמה לראשונה מחקר על התגובה שבה מלטודקסטרין מתחמצן ליצירת אנרגיה בשנת 2007. למרות שהזמינות החומרית והידידותיות לסביבה של סוללות סוכר גבוהות בהרבה מאלה של ליתיום-יון, המתח שנוצר מהתגובה הכימית שלהן נמוך יותר באופן ניכר. אז, סביר להניח שתרצה להפסיק להאכיל את הטסלה שלך בקופסה של קרנצ'ברי.

למרות שהקונספט המקורי הופיע לראשונה ב-2007, ה סוללת סוכר בקונספט עדיין נשאר קצת מיץ. בשנת 2016, צוות המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בראשות פרופסור מייקל סטרנו יצר מכשיר בשם Thermopower Wave, שהוא הרבה יותר יעיל מגלגולי סוללת סוכר קודמים ויכול להפעיל LED מסחרי אוֹר. זוהי התפתחות מרגשת מכיוון שסוכר נמצא בשפע מאוד, אז אם נוכל למצוא דרך מעשית לייצר את הסוללות הללו, יש להניח שנוכל להגדיל את הטכנולוגיה הזו במהירות. למרבה הצער, זמינות מסחרית צפויה בעוד מספר שנים.

זְרִימָה

סוללת זרימה בנויה בצורה שונה מרוב הסוללות האחרות: במקום לארוז חבורה של חומרים תגובתיים יחד ביחידה אחת (כמו שעושות סוללות רגילות), סוללות זרימה מאחסנות נוזלים תגובתיים במיכלים נפרדים ואז מזרימות אותם למערכת כדי ליצור אֵנֶרְגִיָה. הם גם ענקיים ומיועדים לאחסון אנרגיה ברשת - לא עבור אלקטרוניקה ודברים שיכולים להתאים בנוחות בכף היד שלך.

המקורי זרימת סוללה על פי הדיווחים שקלו 1,000 פאונד והומצא בסוף המאה ה-19 כדי להניע את בשם ספינת האוויר הצרפתית "לה פראנס". העניין באחסון האנרגיה המודולרי עלתה ודעכה מאז לאחר מכן.

"אני חושב שמה שבאמת מניע פיצוץ ועניין בסוללות זרימה הוא לא כל כך יצירת הדור הבא של סוללות עבור טלפונים או מחשבים, אבל אחסון אנרגיה בקנה מידה בינוני עד גדול", מסביר טימותי קוק, פרופסור לכימיה באוניברסיטת תְאוֹ. אז, אלא אם כן אתה בונה טלפון סלולרי סטימפאנק, לא סביר שתסחב סוללות זרימה שהופעלו עם משאבות מיקרוסקופיות. עם זאת, ככל שיותר בתים יתקינו אנרגיה סולארית, השוק לאחסון "אנרגיה מותאמת אישית" יגדל.

בעוד שהפיכת סוללות ליתיום-יון חזקות יותר פירושה הגדלת גודל הסוללה, העיצוב של סוללות הזרימה מאפשר להגדיל את האנרגיה על ידי הגדלת גודל הנוזל מאגרים. San Diego Power and Electric התקינו לאחרונה אחד שיכול להפעיל 1,000 בתים.

"אתה לא צריך לשנות אף אחד מהממדים של הממברנה [המקום שבו מתרחשת התגובה הכימית], אתה פשוט צריך להזרים את הנפח הגדול יותר של הנוזל דרכו במשך זמן רב יותר ותוכל לחלץ את האנרגיה הזו החוצה", מסביר לְבַשֵׁל. "אז זה הרבה הרבה הרבה יותר קל להגדיל או להקטין או שאתה יכול בעצם להתאים את זה להתקנה."

לסוללות זרימה יש גם הרבה יותר מחזורי טעינה מאשר לרוב הסוללות. היכולת להחליף את הנוזלים או להחליף חלקים מודולריים אחרים גורמת לכך שאורך החיים הפוטנציאלי של סוללה הוא כמעט בלתי מוגבל.

למרות שחברות מוכרות כיום סוללות זרימה בגודל תעשייתי, פרופסור קוק לא מצפה לקבלה נרחבת עוד חמש עד 10 שנים. הוא אפילו מדמיין יום שבו מכוניות חשמליות עשויות להשתמש בטכנולוגיה. קוק מתאר מכונית שעוזרת ל"תחנת דלק", משחררת את האלקטרוליט המושהה, ואז מתמלאת מחדש באחד שנטען טרי. במקום לחכות חצי שעה עד שהמכונית שלך תתחיל מחדש, הגלגלים יכולים להסתובב שוב תוך דקות ספורות. אבל, כמובן, העתיד הזה הוא בדרך.

עיתון

לייצור סוללה מנייר יש יתרונות רבים: היא דקה, גמישה, ואם מיוצרת עם החומרים הנכונים, היא מתכלה. צוות מאוניברסיטת סטנפורד פיתח סוללות נייר מוקדמות על ידי ציפוי יריעות דקות בדיו רווי פחמן וכסף. לאחרונה, ראשי אקולוגיים התלהבו מהסוללות המפותחות באוניברסיטת בינגהמטון. פרופסור Seokheun "שון" צ'וי עשה את זה כמה גלגולים שונים, כולל אחד המופעל על ידי יריקה - או יותר מדעית, רוק אנושי - ואחר המופעל על ידי חיידקים. גלגול חדש של הביו-סוללה שפותחה על ידי צ'וי ופרופסור Omowunmi Sadik משתמש בפולי חומצה (אמית) ופולי (דיאנהידריד פירומלית-p-פנילנדיאמין) לייצור מקורות האנרגיה מתכלה.

"סוללת הנייר ההיברידית שלנו הציגה יחס הספק-עלות גבוה בהרבה מכל הסוללות המיקרוביאליות המבוססות על נייר שדווחו בעבר", אמר צ'וי כאשר החידוש הודע. למרות שהשימוש המסחרי בסוללות נייר ידידותיות לסביבה הללו הוגבל לאור התפוקה החשמלית הנמוכה שלהן (אפשר להפעיל נורת LED עבור בערך 20 דקות), החוקרים מקווים לראות אותם בשימוש באלקטרוניקה, מכשירים אלחוטיים, יישומים רפואיים כמו קוצבי לב, מטוסים, מכוניות. צ'וי כתב מאמר על השימוש בהם כמקורות כוח חד-פעמיים עבור כלי אבחון נקודתי טיפול במדינות מתפתחות שבהן סוללות עשויות שלא להיות זמינות.

אוויר

אוויר יכול למעשה להיות חשמלי, ולא רק באותו הרגע שבו אתה מקפיץ את הצווארון שלך אחרי שמנגינה של פיל קולינס יוצאת מהרמקולים של הפרארי שלך. סוללות אבץ אוויר, שהם בערך בגודל של סוכריות Smarties ומופעלות על ידי התגובה בין חמצן לאבץ, נמצאות בשימוש במכשירי שמיעה כבר שנים רבות. אבץ הוא גם זול ושופע, מה שהופך את הטכנולוגיה לחסכונית כמו גם ידידותית לסביבה.

אבל יש מגבלות כשמנסים ליצור את הטכנולוגיה הזו נטענת. גבישי דנדריט יכולים להיווצר במהלך הטעינה ולקצר את הסוללה. נבדקו דרכים להחלפת האבץ כמו "טעינה מכנית" של הסוללה על ידי החלפה פיזית של החומרים, גישה שנוסתה באוטובוסים החשמליים של סינגפור. ניסויים רבים אחרים נוסו עם סוללות ליתיום-אוויר ומתכת-אוויר בדרגות שונות של צפיפות אנרגיה, רמת הספק ועלות. במהלך העשור האחרון, טסלה הגישה מספר פטנטים הקשורים לטעינה סוללות ליתיום אוויר, כך שהפוטנציאל שלהם עשוי להתקיים הרבה מעבר למכשירי השמיעה שלך.

בַּרזֶל

לפני כמה שנים, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת איידהו, פיטר אלן, החל להביע את הקסם שלו ממדעי הסוללה ביוטיוב. כמעט מיד הוא גילה שהצופים באמת מגיבים לחומרי הסוללה, מה שנתן לו השראה לבנות סוללת ברזל נטענת כהדגמה חינוכית. פרויקט זה הוביל ליותר מ-100 סרטוני הדגמה המסבירים את השלבים, הבעיות והלמידה של פרויקט סוללה חינוכית.

"אני לא רוצה להציע את עצמי כמומחה לסוללות, כשלעצמו", מודה הפרופסור, שתחום התמחותו הוא כימיה ביולוגית. בעשיית סרטוני היוטיוב, הוא הבין שיש הרבה מה ללמד וללמוד על ידי בניית סוללת עשה זאת בעצמך זולה יחסית.

"חלקים מטכנולוגיית סוללת הברזל קיימים כבר 100 שנה, אז אני חושב שהרבה אנשים עשויים להיכנס לזה עם הרבה ידע זר פשוט יגיד, 'ובכן, זו האדמה הדרושה - אין מה למצוא שם'", הוא אומר. "אבל בהיותי קצת תמימה, נכנסתי לזה ואמרתי, 'טוב, בוא ננסה את זה, בכל מקרה אתה יכול למצוא משהו מעניין'".

לאחר שנתיים, יותר מ-30 וריאציות סוללה, ועזרה רבה מסטודנטים לתואר ראשון, אלן למד כיצד לאזן בין החומרים הנוזליים והמוצקים כדי ליצור כמות אופטימלית של צפיפות אנרגיה אך עם נמוכה כּוֹחַ.

"ואז נכנסנו לכל השאלה הזו של: 'אם יש לך כימיה שעובדת, אבל עובדת לאט, איך אתה מזרז אותה?'"

גם אם הצוות יפתור את האתגר הזה, הטכנולוגיה הנוכחית מכתיבה שהיישומים הטובים ביותר לסוללת ברזל יהיו ככל הנראה א יחידת אחסון אנרגיה מיקרוגריד שכונתית או לכידת חשמל בחווה סולארית, בהתחשב בשטח הנדרש ובמהירות האנרגיה הנשלחת מה- יחידה.

מי ינצח?

האם סוללת הברזל של אלן אי פעם תהיה כדאית מסחרית? הוא לא בטוח שהממצאים הנוכחיים של הצוות שלו, שפורסמו בכתב עת מדעי, יביאו אותם לשם.

לאחר שבדק מספר רב של המצאות סוללות, הוא מבין שרק מעטות מהן אכן יגיעו לשוק. במחקר מדעי, הוא מסביר, יש "עמק המוות".

"יש לך את המחקר הבסיסי שמביא משהו ממש מגניב", הוא אומר. "יש שאלה אם אפשר למסחר אותו. ואין כסף לשאול את השאלה הזאת". חוקרים שימצאו מספיק כסף כדי לענות על השאלה הראשונית הזו, אם יתמזל מזלם, ימצאו משקיעים שרוצים לחדד ולמסחר את הרעיון. "אבל יש פער בין המחקר הבסיסי לבין השכלול ההכרחי כדי ליצור פרסומת לסוללה".

בשנת 2019, קרנות הון סיכון שקעו 1.7 מיליארד דולר לסטארט-אפים של סוללות, כאשר 1.4 מיליארד ממנו הולכים למחקר הקשור לליתיום-יון. אבל גם סוללות זרימה, אבץ-אוויר, מתכת נוזלית וטכנולוגיות רבות אחרות זכו לבדיקות כתובות. בעוד שאחסון אנרגיה ליתיום-יון ישלוט ככל הנראה באחסון אנרגיה לפחות עוד 10 שנים, רבים אחרים כבר נראים כאילו הם יצליחו לצאת מעמק המוות.

המלצות עורכים

• עתיד הקיימות: מבט על האבולוציה הבאה של הטכנולוגיה הסביבתית
• עשרות שנים מאוחר יותר, ממציאי סוללת ליתיום-יון זוכים בפרס נובל לכימיה
• מהנדסים יצרו סוג חדש של סוללת ליתיום שלא תתפוצץ