חשיבה מחדש על הנחות עיצוב סוללות

הבנה חדשה של סדקי קתודה בסוללות ליתיום-יון

שיפור צפיפות הספק הסוללה הוא גורם מרכזי לאימוץ רכבים חשמליים על פני מנועי בעירה פנימית. בטיחות הצרכן היא דאגה מרכזית נוספת, אם כי תפיסת הציבור לגבי סיכון שריפה עולה לעתים קרובות על המציאות.

עמידות היא קריטית באותה מידה. קונים דורשים סוללות שמחזיקות מעמד למעלה מעשור - באופן אידיאלי יותר מתקופת הרכב עצמו - כדי לשמר את הערך השיורי ולהימנע מהחלפות יקרות.

"חשמול החברה דורש את תרומתם של כולם. אם אנשים לא סומכים על סוללות כבטוחות ועמידות לאורך זמן, הם לא יבחרו להשתמש בהן."

חליל אמין – עמית ארגון המצטיין

כדי להתמודד עם קריטריונים אלה, התעשייה עוברת מחומרים רב-קריסטליים עשירים בניקל (PC-NMC) לתחמוצות שכבתיות עשירות בניקל חד-קריסטלי (SC-NMC).

מעבר זה נועד למתן את העומסים הננו-סקופיים הגורמים לסדיקה בקתודה לאורך זמן. עד כה, תכנון הקתודות המונו-גבישיות (גביש יחיד) פעל בהתאם להנחות ששימשו בעבר לקתודות רב-גבישיות.

עם זאת, חוקרים במעבדה הלאומית ארגון, המעבדה הלאומית ברוקהייבן ואוניברסיטת שיקגו גילו ששני סוגי הקתודות הללו נסדקים בדרכים שונות מהותית, וסוללים את הדרך לאסטרטגיות אופטימיזציה חדשות.

הם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת Nature Nanotechnology¹, תחת הכותרת "התפתחות מאמץ ננו-סקופית באלקטרודות חיוביות של סוללות גבישיות יחידות".

מדוע סדקי קתודה הם מנגנון כשל עיקרי

פיצוח פולי-קריסטלי

בקתודה רב-גבישית, החומר מורכב מגבישים ננו-סקופיים מרובים. כאשר הסוללה נטענת ומתפרקת, חלקיקים אלה מתרחבים ומתכווצים.

תנועה חוזרת ונשנית זו יכולה להרחיב את גבולות הגרעינים המפרידים בין הפוליקריסטלים, וליצור סדקים. אם סדק הופך רחב מדי, אלקטרוליט יכול לחדור לחלקיק - בדומה לאופן שבו מים קופאים ומפשירים יוצרים בורות ברחובות העיר.

מקור: טבע

כאשר התפשטות זו חורגת ממגבלות האלסטיות, הקתודה נסדקת. במקרה הגרוע ביותר, הדבר עלול להוביל לדליפה תרמית ולשריפה. לרוב, הדבר מפחית את קיבולת הטעינה של הסוללה לאורך זמן, מה שמוביל לירידה בביצועים.

"בדרך כלל, הוא יסבול מהתפשטות או הצטמקות נפחית של כ-5 עד 10%. ברגע שההתפשטות או הצטמקות חורגות ממגבלות האלסטיות, הן יובילו לסדיקה של חלקיקים."

ג'ינג וואנג - חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה הלאומית ארגון

מכיוון שלקתודות חד-גבישיות אין גבולות בין גרגירי הגביש, הן אינן סובלות ממצב כשל ספציפי זה. עם זאת, ההידרדרות של הסוללה נמשכת.

התכונות הייחודיות של קתודות חד-גבישיות

כדי לחקור זאת, החוקרים השתמשו בטכניקות קרני רנטגן סינכרוטרון רב-ממדיות ובמיקרוסקופ אלקטרונים חודר ברזולוציה גבוהה.

מקור: טבע

בקתודה רב-גבישית, קובלט מסייע במתן אי-סדר ליתיום/ניקל (יוני ניקל הנודדים לשכבות ליתיום) אך ידוע שהוא גם תורם לסדיקה. באופן מסורתי, מוסיפים מנגן כדי לאזן בעיה זו.

חוקרי ארגון מצאו שבקתודות חד-גבישיות, ההפך הוא הנכון: מנגן היה מזיק יותר מבחינה מכנית, בעוד שקובלט דווקא עזר להאריך את חיי הסוללה.

"כאשר אנשים מנסים לעבור לקתודות גבישיות יחידות, הם פועלים לפי עקרונות תכנון דומים לאלו של קתודות רב-גבישיות."

עבודתנו מזהה כי מנגנון הפירוק העיקרי של חלקיקי גביש יחיד שונה מזה של חלקיקי גביש רב-גבישיים, מה שמוביל לדרישות הרכב שונות.

ג'ינג וואנג - חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה הלאומית ארגון

המחקר מגלה כי הטרוגניות בתגובה גורמת לעומס בתוך גבישים בודדים, ולא ביניהם. אזורים שונים בגביש מגיבים בקצב משתנה, ויוצרים מאמץ פנימי המוביל לסדיקה.

מקור: טבע

כיצד תגלית זו עשויה לשפר את סוללות הדור הבא

קובלט יקר יותר מניקל או מנגן ונושא חששות אתיים בנוגע לייצור, מה שמניע את הדחיפה של התעשייה להפחית את השימוש בו.

"על ידי זיהוי מנגנון זה, שלא זכה להערכה מספקת בעבר, עבודה זו יוצרת קשר ישיר בין הרכב החומרים למסלולי הפירוק, ומספקת תובנה עמוקה יותר לגבי מקורות הפירוק בביצועים בחומרים אלה."

טונגצ'או ליו - כימאי במעבדה הלאומית ארגון

השלב הבא הוא יישום ממצאים אלה כדי לזהות חומרים נטולי קובלט המפחיתים את סיכוני הסדיקה תוך שמירה על יעילות עלויות.

סיכום

שיפור הקתודה הוא צעד חיוני לשיפור ביצועי סוללות ליתיום. זה קריטי במיוחד עבור עיצובים חדשים יותר, ללא אנודה, שבהם יעילות הקתודה היא בעלת חשיבות עליונה.

חדשנות זו מספקת מסגרת תיאורטית חדשה לאופטימיזציה של עיצובים של קתודות חד-גבישיות. באופן אידיאלי, היא תוביל לחלופה נטולת קובלט שתפחית משמעותית את סיכוני הסדקים ותוריד את העלויות.

התקדמויות כאלה הן בעלות ערך במיוחד עבור מפתחי סוללות שאינם תלויים בקתודה, כמו QuantumScape. מכיוון שפלטפורמת נטולת האנודה שלהם תומכת במגוון כימיות של קתודות, הם יכולים לשלב במהירות את העיצובים הגמישים הללו של גביש יחיד כדי להאריך את חיי הסוללה מבלי לעצב מחדש את טכנולוגיית המצב המוצק המרכזית שלהם.

חברת סוללות

QuantumScape

חלק גדול מהצרכנים עדיין מפקפק בטווח ובמהירות הטעינה של רוב דגמי הרכבים החשמליים. הסיכון לשריפה מסוללות ליתיום-יון מסורתיות הוא גם הוא דאגה.

סוללות מצב מוצק מציעות פתרון אידיאלי על ידי החלפת האלקטרוליט הנוזלי באלקטרוליט מוצק, ובכך מבטלות סיכוני שריפה ומגדילות באופן משמעותי את צפיפות האנרגיה.

QuantumScape חדשנית במיוחד בזכות העיצוב נטול האנודה שלה. זה מאפשר לה לשלב חומרי קתודה מרובים, מה שממקם את החברה ליהנות משיפורים עתידיים בייצור ותכנון קתודות.

מקור: QuantumScape

לאחר שנים של התקדמות איטית במעבדות, סוללות מצב מוצק סוף סוף עוברות מאבות טיפוס מבטיחים לייצור המוני ושילוב בכלי רכב מסחריים.

אבן דרך חשובה הושגה בשנת 2025 כאשר QuantumScape הציגה לראשונה את הסוללה שלה באופנוע החשמלי Ducati V21L, תוצאה של שותפותה עם פולקסווגן.

מקור: QuantumScape

העיצוב של QuantumScape עדיף משמעותית על סוללות ליתיום-יון כמעט בכל המדדים:

• ניתן לטעון אותו תוך 15 דקות בלבד (10-80% ב-45 מעלות צלזיוס).
• המפריד המחליף את האלקטרוליט הנוזלי אינו דליק ואינו דליק.
• צפיפות האנרגיה של תאי הסוללה שלה היא 844 וואט-שעה/ליטר ו-301 וואט-שעה/ק"ג.
• להשוואה, תאי ה-4680 של טסלה עומדים על 643 וואט-שוט/ליטר ו-241 וואט-שוט/ק"ג, ותאי הלהב של BYD עומדים על כ-375 וואט-שוט/ליטר ו-160 וואט-שוט/ק"ג..

חברת הבת של פולקסווגן בתחום הסוללות, PowerCo, תספק ל-QuantumScape עד 131 מיליון דולר בתשלומים חדשים בשנתיים הקרובות עם השגת אבני דרך מסוימות, מה שמדגים את מחויבות הקבוצה לטכנולוגיית מצב מוצק.

(אתה יכול קראו עוד על QuantumScape בדוח ההשקעות הייעודי שלנו.)

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות QuantumScape (QS)

מחקר שאליו התייחס

^{1וואנג, ג'., ליו, ט., הואנג, וו. et al. התפתחות מאמץ ננוסקופית באלקטרודות חיוביות של סוללות גביש יחיד. נאט. ננוטכנול. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9}