סוללות המבוססות על ליתיום היו חלק בלתי נפרד מחיינו במשך עשרות שנים ונדרשות עבור מכשירים אלקטרוניים שונים. אבל למה סוללות מבוססות ליתיום הפכו כל כך פופולריות, והן חלופות טובות יותר בחוץ? מה יכול יום אחד להחליף לגמרי סוללות מבוססות ליתיום?
מהן סוללות מבוססות ליתיום?
סוללות מבוססות ליתיום (סוללות ליתיום-יון) הן סוג הסוללה הנפוץ ביותר כיום. הרעיון של סוללות מבוססות ליתיום הוצע לראשונה בשנת 1976 על ידי מייקל סטנלי וויטינגהאם, כימאי בריטי. סוללות מבוססות ליתיום הפכו לראשונה לזמינות מסחרית בקנה מידה רחב כמה שנים מאוחר יותר, ב-1991, כשהן נכנסו לייצור המוני.
סוללה מבוססת ליתיום יכולה לבוא בצורות רבות, כאשר הגרסאות הבולטות ביותר כוללות ליתיום ברזל פוספט, תחמוצת ליתיום קובלט, תחמוצת ליתיום מנגן, וליתיום ניקל מנגן קובלט תַחמוֹצֶת. סוללות אלו מכילות תאי כוח קטנים, שכל אחד מהם מורכב מאלקטרודה חיובית (קתודה), אלקטרודה שלילית (אנודה) ואלקטרוליט.
בתוך התא, יוני ליתיום נעים בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, כאשר האלקטרוליט משמש כווקטור התנועה. ליוני ליתיום (Li+) יש מטען חיובי ולכן נמשכים לאלקטרודה השלילית. שתי האלקטרודות מורכבות גם ממרכיבי מפתח. במקרה של סוללת ליתיום קובלט אוקסיד טיפוסית, הקתודה עשויה מתחמוצת ליתיום קובלט, בעוד שהאנודה עשויה לרוב מתרכובת מבוססת פחמן המכונה גרפיט.
הקתודה תמסור חלק מיוני הליתיום החיוביים שלה, אשר עוברים לאחר מכן אל האנודה דרך האלקטרוליט, ומשחררים אנרגיה שהסוללה תשתמש בה לתפוקת הכוח שלה. על התהליך המהיר והפשוט הזה מסתמכים כעת מיליארדי אנשים ברחבי העולם כדי לתדלק את המכשירים שלהם.
מותגים רבים של סוללות ליתיום-יון הם חד-פעמיים. למרות שהם יכולים להפעיל מכשיר במשך שבועות, חודשים או אפילו שנים, יש להשליך אותו ולהחליפו ברגע שהסוללה מתה. למרות זאת, סוללות נטענות על בסיס ליתיום כעת פופולריים מאוד, מכיוון שהם יכולים לחסוך למשתמשים כסף ולהפיק פחות פסולת.
אבל למה, בדיוק, סוללות מבוססות ליתיום הן הבחירה הטובה ביותר? מה הופך אותם לאופציה כל כך אטרקטיבית עבור יצרנים וצרכנים?
מדוע אנו משתמשים בסוללות מבוססות ליתיום?
אנו משתמשים בעיקר בסוללות מבוססות ליתיום בגלל אורך החיים הארוך שלהן בהשוואה לסוגי סוללות אחרים. היצרנים רוצים לייצר ולמכור סוללות המספקות כוח לכמה ימים תוך שמירה על קלות משקל וקומפקטיות. יתר על כן, על פי ה מכון אנרגיה נקייה, לסוללות ליתיום-יון יש פריקה עצמית נמוכה מאוד של בסביבות 1-2% לחודש, כלומר, הן מאבדות אחוז נמוך יותר מיכולת החשמל הכוללת שלהן בכל פעם שהן בשימוש.
סוללות ליתיום-יון יכולות להפיק אנרגיה באמצעות תהליך כימי פשוט, מה שהופך אותן לאופציה אטרקטיבית מאוד עבור יצרנים. בנוסף לכך, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון הופכת אותן לאופציה המועדפת ביותר. לסוללת ליתיום-יון סטנדרטית קיבולת של 260-270Wh/kg (וואט-שעה לקילוגרם), בעוד שסוללות עופרת יכולות להגיע רק לקיבולת של 50-100wh/kg (לפי אנרגיה שפירית). צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון היא גם סיבה מרכזית לכך בשימוש נפוץ בכלי רכב חשמליים.
בגלל גורמים אלה, סוללות מבוססות ליתיום פופולריות בקרב הציבור הרחב, והן לא יקרות לקנייה. בעוד שלמותגים או דגמים מסוימים של סוללות יכול להיות מחיר גבוה יותר, סוללות סטנדרטיות מבוססות ליתיום הן בדרך כלל סבירות למדי וזמינות במיליוני חנויות ברחבי העולם.
אבל סוללות ליתיום-יון אינן מושלמות בשום פנים ואופן. למעשה, יש כמה בעיות נוקבות הקשורות למקור הכוח הפופולרי להפליא הזה.
הבעיה עם סוללות מבוססות ליתיום
אחת הבעיות הגדולות הקשורות לסוללות ליתיום-יון היא כמות הפסולת העצומה שהן יוצרות. אנשים רבים בוחרים להשליך סוללות באמצעות אשפה רגילה ברגע שנגמר להם החשמל, דבר שמזיק לסביבה.
כאשר סוללות ליתיום-יון נפטרות יחד עם פסולת כללית אחרת שאינה ניתנת למחזור, הן מגיעות למזבלה. ברגע שהם נוחתים כאן, הרכיבים שלהם עלולים לשטוף ולפגוע קשות בסביבה שמסביב. ליתיום, ניקל, קובלט ומנגן עלולים להוות סיכוני זיהום חמורים והם נמצאים כולם בסוגים שונים של סוללות מבוססות ליתיום.
יתרה מכך, שאיבת ליתיום עבור סוג סוללה זה פוגעת גם בכוכב הלכת שלנו. ניתן להפיק ליתיום באמצעות כריית מלח או אידוי, כאשר לשני התהליכים יש השפעה רעה על הסביבה. זיהום, עלייה במליחות המים, פליטת CO2 ואובדן המגוון הביולוגי הם כולם תופעות לוואי מדאיגות של מיצוי ליתיום.
בהתחשב בכך ששוק סוללות הליתיום צפוי לגדול ב-14.6 אחוזים בין 2020 ל-2026 (כפי שדווח על ידי סטטיסטה), סביר להניח שתהליך מיצוי הליתיום ימשיך להוות איום סביבתי. זה גם א דאגה גוברת בתעשיית ייצור EV.
אז מהן האלטרנטיבות?
4 החלופות המובילות לסוללות מבוססות ליתיום
1. סוללות מים מלוחים
אוקיינוסים מלוחים מכסים שני שלישים מכדור הארץ שלנו. אז איך אפשר להשתמש במשאב הזה לייצור חשמל?
סוללות מי מלח משתמשות בתמיסת מלח מרוכזת לייצור חשמל. סוללות מי מלח מכילות גם אנודה וקתודה, כאשר תמיסת המלח משמשת כאלקטרוליט (או וקטור) ליוני נתרן חיוביים (יוני Na+). יוני הנתרן עוברים מהקתודה לאנודה ומייצרים אנרגיה.
מי ים בפועל אינם משמשים בסוללות מים מלוחים, אך ניתן לאסוף כמויות גדולות של מלח מהאוקיינוס ולהשתמש בסוללות אלו. שימוש במי מלח לייצור סוללות עלול להיות הרבה פחות מזיק לסביבה מאשר תהליכי המיצוי המשמשים לליתיום, קובלט, ניקל ומתכות אחרות המשמשות בסוללות.
2. סוללות זכוכית
סוללות זכוכית אולי נשמעות קצת חריגות, אבל יש להן פוטנציאל גדול. סוללת הזכוכית היא רעיון חדש יחסית, שהושג לראשונה על ידי הפיזיקאי ג'ון גודנו ב-2017. סוללה זו, המכונה "סוללת Goodough", משתמשת בזכוכית כאלקטרוליט. בעוד שהאלקטרוליטים של הסוללה מגיעים בדרך כלל בצורה נוזלית, סוללת הזכוכית מוצקה לחלוטין.
השימוש באלקטרוליט מוצק בטוח יותר בהרבה מאלקטרוליטים נוזליים, מוריד את הסיכוי לשריפות ומסיר את הסיכון לשטיפה במזבלות. יתרה מכך, סוללת הזכוכית יכולה להחזיק מעמד זמן רב יותר מאשר סוללות ליתיום-יון, מה שהופך אותן לחלופה בת קיימא יותר בסך הכל. נתרן משמש גם בסוללת הזכוכית, שכאמור כאשר דנים בסוללות מים מלוחים, היא משאב בר-קיימא יותר ממתכות סוללות מסורתיות.
3. סוללות נתרן-גופרית
סוללות נתרן גופרית (NaS) הן סוג של סוללה במצב נוזלי המשתמשות באנודות ובקתודות מותכות. במקרה זה, האנודה והקתודה מגיעות בצורה נוזלית, כאשר הראשונה היא נתרן מותכת והשנייה היא גופרית מותכת. סוללות אלו קיימות משנות ה-60 לפני המצאת סוללת הליתיום-יון. אבל איזה פוטנציאל יש לסוללת NaS בעולם שלנו?
יתרון מרכזי של סוללות נתרן-גופרית הוא צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן מאשר סוללות ליתיום-יון. למעשה, חוקרים מאוניברסיטת סידני יצרה סוללת נתרן-גופרית עם קיבולת אנרגיה פי ארבעה מסוללות ליתיום-יון בשנת 2022. יתרה מכך, סוללות נתרן-גופרית פחות רעילות מסוללות ליתיום-יון, וזה חדשות טובות לאיכות הסביבה.
4. סוללות קנבוס
לא הייתם חושבים שיש לקנבוס פוטנציאל להחליף סוללות ליתיום-יון, אבל הצמח הזה הוכיח את הרבגוניות שלו שוב. עם זאת, סוללות אלה מגיעות עם אזהרה: הן עדיין משתמשות במתכות כבדות כמו ליתיום כדי לעבוד.
שעון אקו מדווח כי דוגמה אחת לסוללה המונעת על ידי קנבוס, שפותחה על ידי חוקרים בשנת 2022, משתמשת בליתיום וגופרית בתהליך ייצור החשמל שלה. ההבדל כאן הוא שלא נעשה שימוש במתכות כבדות אחרות, כמו ניקל או קובלט, ולסוללה עצמה יש ביצועים משופרים לעומת גרסאות ליתיום-יון מסורתיות. הסיבה לכך היא שהמפ עוזר לקתודה להאריך את חייה באמצעות מחזורים חוזרים.
סוללות מבוססות קנבוס הן גם חסכוניות יותר ונחשבות לשימוש בכלי רכב חשמליים. כדי ללמוד על סוגי סוללות EV השונים, בדוק את שלנו מאמר ייעודי בנושא.
תעשיית הסוללות עשויה להפוך לירוקה הרבה יותר בעתיד
עם חלופות כל כך מבטיחות לסוללות ליתיום-יון כבר בעבודות, מרגש לחשוב על העתיד של תעשיית הסוללות. אם חלופות כאלה ימוסחרו בהצלחה, נוכל למנוע אינספור בעיות סביבתיות ואסונות. בסך הכל, זה win-win עבור תחליפי ליתיום-יון!