מבנה פנימי של הסוללה: קיבולת גדולה

אנו מצפים לעידן חדש של שימוש נרחב באנרגיה נקייה. בסצנה אייקונית של התקופה, אפשר לראות מכוניות חדשות כמו המכוניות החשמליות של טסלה נוסעות ברחובות, מונעות על ידי בנזין אלא על ידי סוללות ליתיום טעונות במלואן. תחנות הדלק בדרך יוחלפו בתחנות טעינה. החדשות האחרונות הן שהעיר שנגחאי הכריזה כעת על מדיניות נטולת רישיון עבור המכוניות החשמליות של טסלה ותומכת בייצור מהיר יותר של מגדשי-על בסין.

אבל העתיד הבהיר עשוי להיות מעיב על ידי העובדה שסוללות מכוניות חשמליות אינן שונות כל כך מסוללות טלפונים סלולריים. משתמשי טלפונים סלולריים מודאגים לעתים קרובות לגבי חיי הסוללה. הטלפונים של אנשים רבים מלאים בבוקר, וככל שהצהריים מתקרבים, יש צורך להטעין אותם פעם ביום. למחשבים ניידים יש את אותה בעיה ויכול להיגמר המיץ תוך מספר שעות. התועלת של מכוניות חשמליות הוטל בספק מכיוון שהן אינן נוסעות מספיק כדי להתרסק ויש להטעין אותן לעתים קרובות. הדגם של טסלה הוא כרגע המכונית החשמלית היחידה בשוק, וזה הישג. הדגם הוא המושך ביותר את העין, עם טווח של 480 קילומטרים בטעינה בודדת.

למה הסוללות לא מחזיקות מעמד? כמות האנרגיה שחומר יכול לאגור בחלל נתון נקראת צפיפות אנרגיה. צפיפות האנרגיה של הסוללה נמוכה. במונחים של אנרגיה המופקת לק”ג, אנו יכולים להשתמש עד 50 מגה-ג’ול בנזין ליום, בעוד שסוללות ליתיום בממוצע פחות מ-1 מגה-ג’ול. גם סוגים אחרים של סוללות מסתובבים ברמות נמוכות במיוחד. ברור, אנחנו לא יכולים להפוך את הסוללה לאינסופית; על מנת להגדיל את הקיבולת של הסוללה, נוכל להתמקד רק בשיפור צפיפות האנרגיה של הסוללה, אך ישנם קשיים רבים. מה הקשיים בטכנולוגיה הזו? הכתב ראיין את ליו ראן, פרופסור חבר לכימיה באוניברסיטת ג’ג’יאנג, וניתח את תעלומת המבנה הפנימי של סוללת הליתיום הנפוצה (בקיצור סוללת ליתיום).

אלקטרוליטים חשובים מאוד

בשל העברת אלקטרונים, הסוללה יכולה לספק אנרגיה. כאשר הסוללה מחוברת למעגל, המתג כבוי והזרם פועל. בשלב זה, אלקטרונים בורחים מהמסוף השלילי וזורמים דרך המעגל אל המסוף החיובי. תוך כדי כך, האלקטרוניקה תשמור על הטלפון שלך לעבוד, בדיוק כמו נהיגה במכונית חשמלית של טסלה.

האלקטרונים בסוללות ליתיום מסופקים על ידי ליתיום. אם אתה ממלא סוללה בליתיום, האם צפיפות האנרגיה לא עולה? לרוע המזל, על מנת שסוללת ליתיום תהיה נטענת, יש להעריך את המבנה הפנימי שלה במונחים של צפיפות האנרגיה הספציפית שלה. Liu ציין כי המבנה הפנימי של סוללות ליתיום מכיל אלקטרוליטים, נתונים שליליים, נתונים חיוביים ופערים, שלכל אחד מהם יש תהליך מיוחד משלו, ממלא תפקיד ייחודי והוא הכרחי. מבנה זה מגביל את צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון.

הראשון הוא אלקטרוליטים, שהם צינורות חיוניים בסוללות. כאשר סוללה מתרוקנת, אטומי הליתיום מאבדים את האלקטרונים שלהם והופכים ליוני ליתיום, ובעת הטעינה הם צריכים לרוץ מקצה אחד של הסוללה לקצה השני וחוזר חלילה. ליו אמר. האלקטרוליט שומר על יוני הליתיום, בקוטב הצפוני והדרומי של הסוללה, את המפתח למחזוריות רציפה של הסוללה. אלקטרוליטים הם כמו נהרות, יוני ליתיום הם כמו דגים. אם הנהר יבש והדגים לא יכולים להגיע לצד השני, סוללות הליתיום לא יפעלו כמו שצריך.

היופי באלקטרוליט הוא שהוא נושא רק יוני ליתיום, לא אלקטרונים, מה שמבטיח שהסוללה מתרוקנת רק כשהמעגל מחובר. יחד עם זאת, יוני הליתיום, לפי האלקטרוליט, נעים בצורה מסודרת ומוגדרת היטב, כך שהאלקטרונים נעים תמיד בכיוון אחד ויוצרים זרם.

קטבים חיוביים ושליליים יציבים

אלקטרוליטים אינם מספקים כוח, אבל הם כבדים וחיוניים לסוללות ליתיום-יון. אז למה אין יותר נתונים שליליים המבוססים על גרפיט? גרפיט, החומר המשמש לייצור מובילי עיפרון, אינו אחראי לספק אלקטרונים. “זה כדי לוודא שזמן הטעינה נכון”, אמר מר ליו.