סוללות מצב מוצק נתרן ומימן מאתגרות ליתיום

מעבר לליתיום-יון

עם החשמול של כל צורות התחבורה, החל ממכוניות, ובקרוב גם משאיות, ספינות ואולי אפילו מטוסים, אחסון סוללות הפך ל... מפתח הטכנולוגיה של העשור.

בתחילה היא נשלטה על ידי טכנולוגיית ליתיום-יון, הודות לניסיון בייצורה עבור מוצרי אלקטרוניקה קטנים, ולתכונות החשמליות הטבועות בליתיום.

עם זאת, טכנולוגיית ליתיום-יון מציגה מספר בעיות מרכזיות שעשויות להגביל את אימוצה:

• הוא יקר ונדיר יותר ממתכות אחרות, מה שעלול להגביל את יישומו לסוללות בעלות צפיפות גבוהה במיוחד או למוצרים יוקרתיים.
• הוא נוטה ליצור דנדריטים מתכתיים שעלולים לגרום לכשלים קטסטרופליים ולשריפה של סוללות.
• הוא פועל בצורה גרועה בטמפרטורות מקפיא, מה שהופך אותו ללא מתאים לאקלים קר ולאחסון קבוע באזורים קרים.

מכל הסיבות הללו, מדענים ויצרני סוללות בוחנים שיטות כימיות חלופיות. אחת מהן היא שימוש בנתרן, אחד המרכיבים של מלח ים זול ושופע במיוחד.

סוללות נתרן-יון מגיעות בקרוב לשלב הייצור ההמוני, כאשר החברה CATL (300750.SZ) מובילים את התחום הזה.

"זה לא עניין של נתרן מול ליתיום. אנחנו צריכים את שניהם. כשאנחנו חושבים על פתרונות אחסון האנרגיה של המחר, אנחנו צריכים לדמיין שאותו מפעל גיגה יכול לייצר מוצרים המבוססים גם על ליתיום וגם על נתרן כימי."

שירלי מנג- פרופסור להנדסה מולקולרית ב-UChicago PME. 

ובכל זאת, צפויות הן סוללות ליתיום-יון והן סוללות נתרן-יון להיות אבן דרך לקראת טכנולוגיית סוללות מתקדמת: סוללות במצב מוצק.

טכנולוגיית המצב המוצק, שהתמקדה בתחילה בליתיום, מתרחבת כעת לכיוונים חדשים. לדוגמה, דנו בעבר בנושא האפשרות של סוללת מצב מוצק ללא אנודה המבוססת על נתרן.

מחקר חדש גילה כי ניתן להשתמש בצורה מטא-סטבילה של אלקטרוליט מוצק נתרן ליצירת סוללות נתרן במצב מוצק, שהן לא רק צפופות יותר באנרגיה, אלא גם שומרות על ביצועים אפילו בטמפרטורות מתחת לאפס.

עבודה זו בוצעה על ידי מדענים מאוניברסיטת קליפורניה, אוניברסיטת שיקגו והאוניברסיטה הלאומית למדע וטכנולוגיה של טייוואן, ופורסמה בכתב העת Joule.¹ תחת הכותרת "נתרן קלוזו-הידרידובורטים מטא-יציבים עבור סוללות מצב מוצק לחלוטין עם קתודות עבות".

אתגרים של אלקטרוליטים במצב מוצק

בסוללה "רגילה", הקתודה והאנודה מופרדות על ידי אלקטרוליט נוזלי. אלקטרוליט זה שימושי מאוד, אך גם כבד מאוד, ומהווה את הגורם העיקרי לשריפה בסוללות פגומות.

זו הסיבה שהחלפתו בשכבה של חומר מוצק הופכת את הסוללה לא רק להרבה יותר צפופה, אלא גם בטוחה יותר. עם זאת, שמירה על יציבות האלקטרוליט המוצק הזה ולא התנפחותו בעת טעינה או פריקה של הסוללה (גרימת סדקים) הייתה בעיה.

לאלקטרוליטים מוצקים של נתרן יש בעיה נוספת, מכיוון שהם מראים מוליכות יונית מוגבלת בטמפרטורת החדר.

חלופה יכולה להיות שימוש בחומר כמו נתרן הידרידובוראט, הידוע כבעל מוליכות יונית גבוהה מאוד. אך לשם כך, יש לשמור על צורתו המטא-סטבילה בסוללה בקנה מידה גדול.

"למבנה מטא-סטבילי זה של נתרן הידידובוראט יש מוליכות יונית גבוהה מאוד, גבוהה לפחות בסדר גודל אחד מזו שדווחה בספרות, וגבוהה בשלושה עד ארבעה סדרי גודל מהקודמן עצמו."

שירלי מנג- פרופסור להנדסה מולקולרית ב-UChicago PME. 

ייצוב אלקטרוליטים במצב מוצק של נתרן

בעת ייצור סוללה עם נתרן הידרידובוראט, החומר נוטה לנוע לעבר מבנה יציב בעת קירור, ומפריד בין NaBH4 למולקולות Na2B12H12.

צורה מטא-סטבילית קיימת בטמפרטורה גבוהה, מערבבת את שני הגבישים, ומאפשרת תנועה מהירה בהרבה של נתרן בסוללה, מה שמוביל לקיבולת חשמלית חזקה יותר.

מקור: ג'אוּל

כאשר החומר מתקרר במהירות, הוא מגיע לצורה מטא-יציבה, והגביש שומר על מבנהו במקום לחזור לצורה יציבה. סוג זה של קירור מהיר, המכונה גם מרווה, הוא שיטה מרכזית המשמשת בייצור, בעיקר במטלורגיה של פלדה ומתכות אחרות.

מקור: ג'אוּל

טכניקה ידועה להרחבה

כבר היה ידוע שכדי לייצב מבנה כימי, קירור מהיר הוא לעתים קרובות שיטה שימושית. עם זאת, שיטה זו מעולם לא הודגמה באלקטרוליט במצב מוצק עד כה.

העובדה שמדובר בפרקטיקה מקובלת יכולה לסייע רבות בהפיכת טכניקה זו לגמישה ואימוץ על ידי יצרני סוללות.

"מכיוון שהטכניקה הזו הוקמה, נוכל להרחיב אותה טוב יותר בעתיד."

אם אתם מציעים משהו חדש או אם יש צורך לשנות או לבסס תהליכים, אז התעשייה תהסס יותר לקבל זאת."

סם או - מכון A*STAR לחקר והנדסת חומרים בסינגפור.

אלקטרודה עבה וטמפרטורות קרות

רוב תכנוני המצב המוצק מנסים להנדס קתודה דקה במיוחד כדי למקסם את משטח המגע ולהגביל את כמות החומר ה"מת" שאינו אוגר אנרגיה.

הכיבוי פותר בעיה זו על ידי יצירת נקבוביות קבועות שבהן יון הנתרן יכול להסתובב.

"שילוב של פאזה מטא-סטבילית זו עם קתודה מסוג O3 שצופה באלקטרוליט מוצק מבוסס כלוריד יכול ליצור קתודות עבות ובעלות שטח גבוה, מה שמציב את העיצוב החדש הזה על פני סוללות נתרן קודמות."

סם או - מכון A*STAR לחקר והנדסת חומרים בסינגפור.

זה יוצר פוטנציאל עיצובי מעניין, שכן עבה יותר של האלקטרודה אמור, במקרה הספציפי הזה, לשפר את הסוללה, במקום להחמיר אותה.

"ככל שהקתודה עבה יותר, צפיפות האנרגיה התיאורטית של הסוללה - כמות האנרגיה המוחזקת בתוך אזור מסוים - משתפרת",

סם או - מכון A*STAR לחקר והנדסת חומרים בסינגפור.

בעת בדיקת הקתודה, החוקרים מצאו כי הביצועים נשמרו בטמפרטורת החדר ואפילו מתחת לאפס - יתרון בולט לפעולה באקלים קר בהשוואה לסוללת ליתיום-יון אלקטרוליט נוזלי קונבנציונלית - אם כי טרם הוכחה עליונות רחבה יותר ברמת המערכת על פני סוללת ליתיום-יון מסחרית.

מימן כנושא מטען

כאשר דנים במימן ביחס לתחבורה ואנרגיה ירוקה, אנו מתייחסים בדרך כלל לדי-מימן (H2) ולשריפתו או חמצונו במנועים ייעודיים או בתאי דלק.

אבל למימן יכול להיות פוטנציאל כמרכיב מפתח בסוללות גם בעתיד, ויחליף ליתיום או נתרן. במקרה כזה, נעשה שימוש בהידריד (H-).

מכיוון שמימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום, הדבר עשוי להפוך אותו לשימושי במיוחד עבור עולם השואף להיות מחושמל לחלוטין ולהפעיל אותו על אנרגיה ירוקה וסוללות.

חוקרים סינים מאוניברסיטת האקדמיה הסינית למדעים, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC), אוניברסיטת ג'ילין ומעבדת הקטליזה הממלכתית של הרפובליקה העממית של סין חשפו בסקירה המדעית היוקרתית Nature² הקונספט של סוללת יוני הידריד במצב מוצק, תחת הכותרת "סוללת יוני הידריד נטענת בטמפרטורת החדר, בעלת יון מוצק לחלוטין".

יוני הידריד

סוללות משתמשות במוביל מטען שלילי כדי להעביר אלקטרונים בין האנודה לקתודה. בתיאוריה, יוני הידריד (H−) אנרגטיים יותר, ניתנים לקיטוב ופעילים יותר מקטיונים כמו ליתיום או נתרן.

מימן הוא גם האטום הקטן ביותר, מה שהופך אותו לקל במיוחד, נקודה מרכזית עבור סוללות המשמשות בתחבורה.

עם זאת, למרות יתרונות ידועים אלה, יוני הידריד לא שימשו עד כה בסוללות, מכיוון שאף אלקטרוליט לא הצליח לספק את השילוב של תנועת יונים מהירה, יציבות תרמית ותאימות אלקטרודות הנדרשות למערכות כאלה.

שילוב מוליכות ליציבות

החוקרים סינתזו הידריד מרוכב חדשני של ליבה-קליפה, 3CeH₃@BaH₂, היכן ש-BaH דק₂ קליפה עוטפת את CeH₃מבנה זה ממנף את מוליכות יוני ההידריד הגבוהה של CeH₃ והיציבות של BaH₂.

באמצעות חומר מרוכב זה כקוביית בניין, החוקרים יצרו CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄ אב טיפוס של יון הידריד במצב מוצק לחלוטין. NaAlH₄, חומר קלאסי לאגירת מימן, שימש כרכיב פעיל בקתודה.

הסרת דנדריט לתמיד?

מלבד קיבולת אנרגיה גבוהה, ליוני הידריד יש יתרון משמעותי נוסף: בניגוד לקטיונים מתכתיים, הם אינם יכולים להתאסף זה עם זה וליצור דנדריטים, שהם הגורם העיקרי לרוב כשלונות הסוללה לאחר מחזורי טעינה-פריקה רבים מדי, מה שגורם לקצרים חשמליים ולשריפות.

אז זו יכולה להיות הדרך לאחסון אנרגיה בטוח, יעיל ובת קיימא.

עם זאת, טכנולוגיה זו הרבה פחות בוגרת מסוללות ליתיום או אפילו סוללות נתרן, ונדרשת התקדמות בעמידות העיצוב.

לעת עתה, הצליחו החוקרים ליצור צפיפות אנרגיה גבוהה של 984 מיליאמפר/גרם בטמפרטורת החדר. אך קיבולת הסוללה ירדה ל-402 מיליאמפר/גרם לאחר 20 מחזורים בלבד.

העתיד של סוללות מוצק

בטווח הקרוב, סוללות המשתמשות בטכנולוגיית ליתיום-יון צפויות להישאר בסיס לאנרגיה ירוקה ולרכבים חשמליים.

עם זאת, בטווח הבינוני, סוללות מצב מוצק או נתרן (ונתרן במצב מוצק) עלולות להחליף את הדומיננטיות של סוללות ליתיום-יון, במיוחד אם יצליחו להציע צפיפות אנרגיה גבוהה מספיק במחיר נמוך יותר.

טעינה מהירה של סוללות מצב מוצק יכולה להיות גם טיעון עבור נהגים שנרתעים ממעבר לרכבים חשמליים או ליישומים מסחריים.

עמידות וסבילות לטמפרטורות קרות יהוו גם הן גורם במשוואה, כאשר פוטנציאלית קיים מגוון רחב של כימיות של סוללות במקביל לאורך שנות ה-2030, עם כמה סוללות ייעודיות עבור כלי רכב חשמליים באקלים קר.

תוכלו לקרוא עוד על נושאים אלה במאמרים הבאים שלנו:

• • "סוללות עמידות במיוחד: מדוע הטכנולוגיה של הדור הבא יחזיק מעמד עשרות שנים, לא רק שנים"
  • "סוללת חלת דבש כדי להתחרות פוטנציאלית על סוללות מוצק"
  • "עתיד הניידות - Battery Tech"

החלק כדי לגלול →

מצב מוצק חברת סוללות

QuantumScape

מאז הקמתה בשנת 2010, חברת QuantumScape מקליפורניה הייתה סטארט-אפ בולט בתחום סוללות מצב מוצק, בולטת בזכות כניסתה המוקדמת לתחום, ובעצמאותה מיצרני סוללות גדולים יותר שגם הם חותרים לטכנולוגיית מצב מוצק, כמו CATL (300750.SZ), סמסונג או LG Energy Solution (373220.KS).

מקור: QuantumScape

מאפיין ייחודי אחד של סוללות QuantumScape, אשר בזמן חשיפתן נחשבו מהפכניות, הוא השימוש שלהן בעיצוב נטול אנודה.

הוא מאפשר טעינה מהירה של כ-15 דקות (10-80% ב-45 מעלות צלזיוס) והמפריד אינו דליק ואינו דליק.

מקור: QuantumScape

זה גם שם את סוללות QuantumScape בליגה משל עצמן בכל הנוגע לצפיפות האנרגיה ומהירות הטעינה, תוך ביצועים מסיביים של מנהיגים כמו טסלה (הן העיצוב שלה והן אלה מתוצרת CATL).

מקור: QuantumScape

עם זאת, ביצועים יוצאי דופן אלה נבלמו באופן קבוע על ידי קשיים להגביר את הייצור. הדבר גם אילץ את החברה לשרוף את ערימת המזומנים שלה, מה שהוביל לדילול מצד משקיעים קודמים ולירידה במחירי המניות.

נראה שזה משתנה מאז הסכם 2024 עם PowerCo, חטיבת הסוללות של קבוצת פולקסווגן, לעסקת רישוי לתכנון וייצור המוני של סוללות QuantumScape על ידי PowerCo.

במסגרת עסקת הרישוי הלא בלעדי, PowerCo יכולה לייצר עד 40 ג'יגה וואט-שעה בשנה של סוללות לרכב חשמלי, עם אפשרות להרחבה ל-80 GWh בשנה.

העלייה הפתאומית בהיקף הייצור של QuantumScape קשורה ל קוברה, ציוד הפרדת סוללות מצב מוצק מהדור הבא של החברה, פריצת דרך בייצור קרמיקה.

בסך הכל, קוברה אמורה להשתלב בייצור ב-2025, וה-EV המוגמר הראשון המשתמש בסוללות QuantumScape אמור להיות מיוצר ב-2026.

מקור: QuantumScape

זו עשויה להיות נקודת מפנה עבור החברה, לעבור 16 שנים לאחר הקמתה מסטארט-אפ מבטיח עם IP מעניין ליצירת הכנסות צומחות משותפות עם אחת מיצרניות הרכב הגדולות בעולם.

הקשר עם פאוורקו ​​מתהדק בשנת 2025עם סוללות מצב מוצק המשמשות באופנוע דוקאטי, וכיוון ש-PowerCo תספק עד 131 מיליון דולר בתשלומים חדשים בשנתיים הקרובות, לאחר שצוות ההרחבה המשותף ישיג אבני דרך מסוימות.

"הסכם מורחב זה הוא איתות ברור להתייצבות האסטרטגית, הטכנית והפיננסית הגוברת בין שתי החברות."

זה משקף את הביטחון המשותף שלנו ב-QSE-5 כפלטפורמה פורצת דרך עבור תעשיית הסוללות."

ד"ר שיווה סיוואראם - מנכ"ל ונשיא QאונאטוםSכובע.

בינתיים, המשקיעים עדיין צריכים לצפות לתנודתיות מסוימת במחיר המניה, אבל עם אור בקצה מנהרת פיתוח המוצר.

(תוכלו גם לבדוק חברות סוללות אחרות בארה"ב ובחו"ל במאמר שלנו)

"10 מניות הסוללות המובילות להשקעה").

מחקר שאליו התייחס

<sup>1. ג'ין אן סאם או ואחרים. נתרן קלוזו-הידרידובוראטים מטא-יציבים עבור סוללות מצב מוצק לחלוטין עם קתודות עבות. ג'אוּל. 102130. 16 בספטמבר 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3 
2. Jirong Cui, et al. סוללת יוני הידריד נטענת בטמפרטורת החדר, בעלת יון מוצק לחלוטין. טבע. 17 בספטמבר 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3</sup>