חשמל מן האוויר

חוקרים בטכניון ובמכון יוליך (גרמניה) פיתחו סוללת טיטניום-אוויר חדשנית, ואימתו את יעילותה באופן ניסויי. פיתוחה של הסוללה החדשה התאפשר הודות לשיתוף פעולה בין ד”ר יאסין אמרי דורמוס, ממכון יוליך למחקרי אנרגיה ואקלים (מס’ 9) בראשות פרופ’ רודיגר אייכל ופרופ’ יאיר עין-אלי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון.

פרופ’ יאיר עין-אלי

מאמרם של חוקרי הטכניון ויוליך פורסם בכתב העת Chemical Engineering Journal, וזה הפרסום הראשון של ממצאים ניסויים לגבי סוללה מסוג זה, שבה הטיטניום משמש כחומר פעיל.

סוללות הן התקנים הממירים אנרגיה כימית לחשמלית באמצעות אלקטרוליט (החומר המוליך יונים) ושתי אלקטרודות הטבולות בתוכו. אחת האלקטרודות (זו שהמתח בה נמוך מאוד) מוסרת אלקטרונים במעגל החיצוני (המפעיל את המכשור האלקטרוני), והאלקטרודה השנייה מקבלת את האלקטרונים. התהליך האלקטרוכימי מתרחש בתוך המדיום האלקרוליטי המכיל יונים, וכך נוצר הזרם החשמלי הכולל הדרוש להפעלת המיכשור האלקטרוני ולפריקת התא (הסוללה).

סוללת מתכת-אוויר הן משפחה של סוללות שבהן אחת האלקטרודות עשויה ממתכת פעילה (בעלת מתח נמוך מאוד), והאלקטרודה האחרת היא ממברנה דקיקה, המאפשרת כניסה ותגובה של אוויר, וליתר דיוק חמצן. מאחר שהחמצן מגיע מהאוויר שסביב אין צורך לאגור אותו, ובכך למעשה נחסכים מקום (נפח) ומשקל יקרים בתוך הסוללה. לפיכך, תכולת האנרגיה של סוללה מסוג זה אמורה להיות באופן תיאורטי גבוהה יותר בהשוואה לסוללות אחרות. סוללות מתכת-אוויר מתאימות במיוחד ליישומים המצריכים מזעור כמו גם למערכות אגירה גדולות שבהן נדרשים חומרים זולים, זמינים ולא רעילים.

אם כן, מהי המתכת האופטימלית לסוללות מתכת-אוויר? עד היום נחקרו בעיקר ליתיום, אבץ, ברזל, אלומיניום וסיליקון. סוללות אבץ-אוויר, לדוגמה, כבר משמשות בהתקני בקרה, בחיישנים ובמכשירי שמיעה. עם זאת, סוללות אלה מאופיינות בצפיפות אנרגיה נמוכה יחסית לצרכים הגדלים של שוק האנרגיה, ולפיכך הן מספקות אנרגיה לזמן קצר יחסית.

סוללות טיטניום-אוויר, שיעילותן הודגמה במחקר הנוכחי, מאופיינות בצפיפות אנרגיה הגבוהה פי שניים ויותר מזו של סוללות אבץ-אוויר, ולכן הן צפויות לספק תכולת אנרגיה למשך זמן כפול ויותר. יש לציין שטיטניום הוא יסוד כימי נפוץ – הוא מדורג במקום התשיעי ברשימת החומרים הנפוצים בקרום כדור הארץ.  טיטניום ידועה כמתכת חסינה, יציבה ועמידה ביותר, שאינה מגיבה כלל עם הסביבה ואפילו לא עם מגיבים אגרסיביים ביותר, וזאת בשל העובדה שטיטניום מכוסה בשכבת הגנה תחמוצתית יעילה ועמידה מאוד.

חוקרי הטכניון ויוליך הצליחו להסיר את שכבת ההגנה החזקה של הטיטניום בלבד, תוך שימוש באלקטרוליט ייחודי בסוללה שפיתחו. האלקטרוליט האמור הוא סוג של נוזל יוני בעל מאפיינים ייחודיים – נוזל העשוי ממלחים ומתאים לשימוש בסוללות בשל תכונותיו החשמליות והכימיות. כך הצליחו החוקרים לרתום את הפוטנציאל הכימי של מתכת הטיטניום החשופה לצורכי המרה לאנרגיה חשמלית. בניסוייהם הם הדגימו כאמור תכולת אנרגיה חשמלית הגבוהה במאות אחוזים מזו של סוללות אבץ-אוויר.

אילוסטרציה גרפית של תכונות סוללת הטיטניום-אוויר, בסגנון הטבלה המחזורית של היסודות הכימיים, עם המאפיינים והתכונות החשמליים והאנרגטיים הייחודיים של הסוללה החדשנית. כך החוקרים ומפתחי סוללת הטיטניום-אוויר רואים זאת בעיני רוחם: הסרה של שכבת ההגנה התחמוצתית מעל גבי טיטניום משולה בעיניהם לטיטאן הישן, המלא באנרגיה אדירה אך כלוא במערה חשוכה במשך עידנים. קבוצת המדענים גילתה דרך לפרוץ את המחסום ה”פסיבי” ולשחרר את האנרגיה האצורה בענק בעל העין היחידה – האנרגיה הכימית האצורה בו נהפכת, במבנה של הסוללה החדשנית, לאנרגיה חשמלית.

המחקר נתמך על ידי המשרד הפדרלי של גרמניה לחינוך ומחקר, וחוקרי הטכניון נתמכו על ידי תוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP) ועל ידי מרכז המחקר לאגירה והנעה אלקטרוכימית (INREP).

פרופ’ עין-אלי שהה במכון יוליך במסגרת שנת שבתון, כחלק מהסכם המסגרת בין שני המוסדות ואוניברסיטת אאכן. הסכם המסגרת (Umbrella) בין המוסדות חוגג השנה 40 להיווסדו, והסימפוזיון הקרוב במסגרתו ייערך בחיפה בין 30 במאי ל-1 ביוני 2023.

לקריאת המאמר המלא – לחצו כאן