כל מה שאתה צריך לדעת על סוללות מתכת-אוויר

החשמל מתכלה מאוד. אם לא משתמשים בו ברגע שהוא נוצר, הוא מתפזר במהירות כחום. שחרור פחמן מלא של הרשת החשמלית יכול להפוך למציאות רק כאשר ניתן לאחסן ולהשתמש בכמויות אדירות של אנרגיית שמש ורוח בכל עת. אחרי הכל, אנחנו לא יכולים לרתום מקורות אנרגיה מתחדשים כמו שמש ורוח 24/7.

כיום, סוללות ליתיום-יון מהוות נתח ניכר מהשוק לאגירת אנרגיה. אבל הם יָקָר, כרוך כריית מתכות נדירות, והם רחוק מלהיות בר-קיימא מבחינה סביבתית. מציאת אלטרנטיבה שהיא פחות משפילה מבחינה אקולוגית היא חיונית - ועד כה, מדענים מנתחים תחליפים לסוללות ליתיום-יון בעזרת חומרי גלם כמו נתרן, מגנזיום, ואפילו מי ים. אבל בשנים האחרונות, תעשיית האנרגיה משקיעה בסוללות מתכת-אוויר כפתרון הדור הבא לאחסון אנרגיה ברשת.

סוללות מתכת-אוויר היו תוכנן לראשונה בשנת 1878. הטכנולוגיה משתמשת בחמצן אטמוספרי כקתודה (מקלט אלקטרונים) ואנודת מתכת (נותנת אלקטרונים). אנודה זו מורכבת ממתכות זולות וזמינות בשפע כגון אלומיניום, אבץ או ברזל. "שלוש המתכות הללו עלו לפסגה במונחים של שימוש בסוללות מתכת-אוויר", אומר יט-מינג צ'יאנג, פרופסור לאלקטרוכימיה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.

ב 1932, סוללות אבץ-אוויר היו הסוג הראשון של סוללות מתכת-אוויר, בשימוש נרחב במכשירי שמיעה. שלושה עשורים מאוחר יותר, מדעני נאס"א ומעבדת GTE ניסו לפתח סוללות ברזל אוויר ל מערכות החלל של נאס"א אבל בסופו של דבר ויתר. ובכל זאת, כמה חוקרים רודפים אחרי הטכנולוגיה החמקמקה.

חוקרים האמינו שבאופן תיאורטי, סוללות מתכת-אוויר יכולות להיות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר סוללות ליתיום-יון במשך יותר משישה עשורים. ובכל זאת, הם לא הצליחו פעם אחר פעם לממש את מלוא הפוטנציאל שלהם בעבר.

בסוללת ליתיום-יון, תהליך ייצור החשמל הוא פשוט. אטומי ליתיום רק קופצים בין שתי אלקטרודות כשהסוללה נטענת ונפרקת.

עם זאת, מעורבות האוויר הופכת את התהליך לקשה יותר, ומוסיפה אתגר נוסף - הקושי בטעינה מחדש. חמצן מגיב עם המתכת, יוצר חומר כימי שמפעיל את תהליך האלקטרוליזה, ופורק אנרגיה. אבל במקום תגובה שיכולה ללכת קדימה ואחורה, בסוללות מתכת-אוויר, ההעברה היא רוב הפעמים רק בכיוון אחד. הודות לזרימה מתמדת של חמצן אטמוספרי לתוך סוללת מתכת-אוויר, ברגע שאתה מפעיל אותה, הסוללה יכול להחליד במהירות גם כאשר הוא אינו בשימוש ויש לו חיי מדף נמוכים.

בנוסף, הוואט-שעה של סוללות מתכת-אוויר לקילוגרם - המודד את אחסון האנרגיה ליחידת מסת הסוללה - אינן גבוהות במיוחד כרגע. זו הסיבה העיקרית לכך שכלי רכב חשמליים לא יכולים להשתמש בסוללות מתכת-אוויר כמו ברזל-אוויר, אומר צ'יאנג מדע פופולרי. “לסוללות ליתיום-יון יש 100 וואט-שעה לק"ג. אבל עבור ברזל-אוויר, זה היה רק ​​40 וואט-שעה לקילוגרם. קצב אגירת האנרגיה ולאחר מכן פריקה מהסוללה נמוך יחסית בהשוואה", הוא אומר.

[קָשׁוּר:אנחנו צריכים דרכים בטוחות יותר למיחזור סוללות מכוניות חשמליות וטלפונים סלולריים.]

אבל הוא טוען שלמרות המגבלות הללו, אחסון אנרגיה נייח עשוי לנצל סוללות ברזל-אוויר. בסטארט אפ התקשר טופס אנרגיה, צ'יאנג ועמיתיו פיתחו טכנולוגיית סוללת ברזל-אוויר חדשה וזולה שתספק אחסון לאנרגיה מתחדשת למשך מספר ימים עד 2024.

"למרות שזה לא הסתדר עבור רכבי EV, סוללות ברזל-אוויר ניתנות להגדלה מסחרית לאחסון אנרגיה ולעזור למתן את שינויי האקלים עד אמצע המאה", מוסיף צ'יאנג, שהוא גם קצין מדע ראשי בפורם אֵנֶרְגִיָה.

הצוות של צ'יאנג כיוון עדין את תהליך "החלדה הפוכה" בטכנולוגיית הסוללה שלהם האוגרת ומשחררת אנרגיה ביעילות. כשהברזל מתחמצן כימית, הוא מאבד אלקטרונים הנשלחים דרך המעגל החיצוני של הסוללה אל אלקטרודת האוויר שלה. חמצן אטמוספרי הופך ליוני הידרוקסיד באלקטרודת האוויר ואז עובר אל אלקטרודת הברזל, ויוצר הידרוקסיד ברזל, שבסופו של דבר הופך לחלודה.

"כאשר אתה הופך את הזרם החשמלי על הסוללה, זה מחליד את הסוללה. תלוי אם הסוללה מתרוקנת או נטענת, האלקטרונים נלקחים מהברזל או מוסיפים אותם", מסביר צ'יאנג. לטענתו, הסוללה יכולה לספק חשמל נקי למשך 100 שעות במחיר של 20 דולרים קילוואט בלבד לשעה - מציאה בהשוואה לסוללות ליתיום-יון, שעולות עד 200 דולר לקוט"ש.

אבל ברזל הוא לא המתכת היחידה בעלייה. ככל שהמירוץ לפיתוח סוללות מתכת-אוויר בר-קיימא לאחסון אנרגיה מואץ, כמה חברות וחוקרים שלהן עסוקים בהשקעה בסוללות אבץ-אוויר ואלומיניום-אוויר.

[קָשׁוּר: אנרגיה מתחדשת זקוקה לאחסון. 3 הפתרונות האלה יכולים לעזור.]

מדעני חומרים מאוניברסיטת מינסטר בגרמניה עיבדו מחדש את העיצוב של סוללות אבץ-אוויר עם מכשיר חדש אלקטרוליט המורכב מיונים דוחי מים. בסוללות אבץ מסורתיות, האלקטרוליטים יכולים להיות מְאַכֵּל עם חומר pH גבוה, מה שהופך אותם למאכלים מספיק כדי לפגוע בסוללה. החוקרים התגברו על בעיה זו על ידי הבטחת היונים דוחי המים להיצמד לקתודה האווירית, כך שמים מהאלקטרוליט אינם יכולים להגיב עם חמצן הנכנס. יוני האבץ מהאנודה יכולים לנוע בחופשיות אל הקתודה, שם הם מקיימים אינטראקציה עם חמצן אטמוספרי ומייצרים כוח שוב ושוב.

ככל שהחוקרים מתקרבים לפיתוח סוללות אבץ-אוויר נטענות, חברה קנדית, אבץ 8 אנרגיה, כבר חשפה את המוצר שלה. הסטארט-אפ משתמש בסוללות אבץ-אוויר עם מיכל אגירה המכיל אשלגן הידרוקסיד ואבץ טעון. חשמל מהרשת מפצל אבץ כימי לאבץ, מים וחמצן. זה טוען חלקיקי אבץ ומאחסן חשמל.

כאשר החשמל צריך להזין לרשת, האבץ הטעון מסתנכרן עם חמצן ומים, משחרר את החשמל המאוחסן ומייצר אבץ. לאחר מכן, כל התהליך מתחיל מחדש. הקבוצה הודיעה על הצגת סוללות זרימת אוויר אבץ אלו לשוק העולמי על ידי התקנה הטכנולוגיה שלהם בבניין מגורים עם פאנל סולארי בקווינס, ניו יורק.

כמו ברזל, אבץ זמין באופן נרחב ויש לו שרשרות אספקה ​​קיימות. מתכת נוספת שגם היא מצויה בשפע, אלומיניום, נמצאת גם היא בשימוש לפתח סוללות אלומיניום-אוויר. אבל בניגוד לסוללות אבץ-אוויר, סוללות אלומיניום-אוויר אינן יכולות להיטען מחדש, אומר צ'יאנג. ה טביעת רגל פחמנית של ייצור אלומיניום הוא גם גבוה יותר מאופציות אחרות של סוללות מתכת-אוויר.

עד 2028, שוק סוללות המתכת-אוויר העולמי הוא צפוי להגיע ל-1,173 מיליון דולר, בעיקר לאספקת פתרונות אחסון אנרגיה. אבל לעת עתה, משקיעים, אנליסטים בתעשייה וצרכנים כאחד מחכה בקוצר רוח לפריצת הדרך הגדולה הבאה.