תחום האנרגיה החדש פורח לאחרונה. היום נדבר על עקרונות הפיתוח והעבודה של סוללות וסוללות לטלפונים ניידים.

1. עקרון העבודה של הסוללה

המכשיר שיכול להמיר ישירות אנרגיה כימית, אנרגיית אור, אנרגיית חום וכו’ לאנרגיה חשמלית נקרא סוללה. זה כולל סוללות כימיות, סוללות גרעיניות וכו’, ומה שאנו מכנים בדרך כלל סוללות מתייחס בדרך כלל לסוללות כימיות.

סוללות כימיות מעשיות מחולקות לסוללות ראשוניות ומצברים. הסוללות שאנו באים איתן במגע בחיי היומיום הן בעיקר מצברים. יש לטעון את הסוללה לפני השימוש, ולאחר מכן ניתן לפרוק אותה. בעת הטעינה, האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה כימית; בעת פריקה, האנרגיה הכימית מומרת לאנרגיה חשמלית.

כאשר הסוללה מתרוקנת, הזרם מועבר מהאלקטרודה החיובית לאלקטרודה השלילית דרך מעגל חיצוני. באלקטרוליט, היונים החיוביים והיונים השליליים מועברים אל האלקטרודות בהתאמה, והזרם מועבר מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרודה החיובית. כאשר הסוללה מתרוקנת, שתי האלקטרודות עוברות תגובה כימית, והמעגל מנותק או מתרחשת תגובה כימית. כאשר החומר נגמר, ההפרשה תיפסק.

בהתאם לחומרים המשמשים בתוך הסוללה, הסוללה יכולה להיות נטענת או לא נטענת. חלק מהתגובות הכימיות הן הפיכות וחלקן בלתי הפיכות.

הקיבולת והמהירות של הסוללה תלויים בחומר שלה.

2 ההיסטוריה של סוללות טלפונים סלולריים

ניתן לחלק את סוללות הטלפון הנייד לשלושה שלבים: סוללת Ni-Cd → סוללת Ni-MH →

משמותיהם של שלושת השלבים הללו ניתן לראות שהיסודות הכימיים העיקריים המשמשים בסוללות משתנים, וישנם חידושים טכנולוגיים נוספים בסוללות. אנחנו אפילו יכולים לומר שללא סוללות ליתיום, לא היו חיים חכמים ניידים היום.

כאשר הטלפונים הניידים הופיעו לראשונה בשנות ה-1980, הם נקראו גם “טלפונים ניידים”. מהשם, אנחנו יכולים לראות שהוא ענק. הסיבה העיקרית לכך שהוא גדול היא בגלל הסוללה הגדולה שלו.

בשנות ה-1990 הופיעו סוללות Ni-MH שהן קטנות יותר וידידותיות יותר לסביבה. המוצר הכוכב StarTAC של מוטורולה משתמש בסוללות ניקל מתכת הידריד, שהן קטנות מספיק כדי לערער את התפיסה של אנשים. ה-StarTAC328, ששוחרר ב-1996, היה הטלפון הכפזר הראשון בעולם, במשקל של 87 גרם בלבד.

בתחילת שנות ה-1990 הופיעו גם סוללות ליתיום. בשנת 1992, סוני הציגה סוללת ליתיום משלה למוצריה, אך בשל המחיר הגבוה והיעדר כוח מעולה, ניתן היה להשתמש בה רק במוצרים שלה. לאחר מכן, עם החדשנות הטכנולוגית של חומרי סוללות ליתיום והתקדמות טכנולוגיית הייצור, קיבולת ועלות שלה שופרו, ובהדרגה זכו לחסוד של יצרנים נוספים. עידן סוללות הליתיום הגיע רשמית.

סוללת ליתיום ופרס נובל

למרות שהחלפת הטלפונים הניידים מתפתחת במהירות, התפתחות סוללות הטלפונים הניידים היא איטית יחסית. על פי נתוני הסקר, קיבולת הסוללות גדלה רק ב-10% כל 10 שנים. כמעט בלתי אפשרי להגדיל משמעותית את הקיבולת של סוללות טלפונים ניידים בפרק זמן קצר, כך שגם לתחום הסוללות לטלפונים ניידים יש אפשרויות ופוטנציאלים בלתי מוגבלים.

פרס נובל לכימיה לשנת 2019 הוענק לפרופסור ג’ון גודנו, סטנלי וויטינגהאם וד”ר אקירה יושינו על עבודתם בתחום סוללות הליתיום. למעשה, כל שנה לפני שהם מנצחים, יש אנשים שצופים אם סוללות ליתיום ינצחו. להתקדמות סוללות הליתיום יש השפעה ותרומה רבה לחברה, והפרסים שלהן ראויים בהחלט.

משבר הנפט הראשון של מלחמת המזרח התיכון בשנות ה-1970 הביא אנשים להבין את החשיבות של היפטרות מהתלות בנפט. כניסה למקורות אנרגיה חדשים יכולה להחליף נפט. גם מדינות נלהבות יצרו שיאים חדשים במחקר ופיתוח של סוללות. עם השפעת משבר הנפט, הוא מקווה לתרום בתחום האנרגיה החלופית.

כיסוד עתיק המיוצר בדקות הראשונות של המפץ הגדול, ליתיום התגלה לראשונה על ידי כימאים שבדים בצורת יוני ליתיום בתחילת המאה ה-19. זה מאוד תגובתי. החולשה שלה טמונה בתגובתיות, אבל היא גם החוזקות שלה.

כאשר משתמשים בליתיום טהור כאנודה לטעינת סוללה, נוצרים דנדריטים של ליתיום, שעלולים לגרום לקצר בסוללה, לגרום לשריפה או אפילו לפיצוץ, אך חוקרים מעולם לא ויתרו על סוללות ליתיום.

שלושה זוכי פרס נובל: סטנלי וויטינגהאם הייתה סוללת הליתיום התפקודית המלאה הראשונה שעבדה בטמפרטורת החדר בתחילת שנות ה-1970, תוך שימוש בכונן החזק של ליתיום לשחרור אלקטרונים חיצוניים;

הסוללה של וויטינגהם יכולה לייצר קצת יותר משני וולט. בשנת 1980 גילה Goodenough שהשימוש בקובלט ליתיום בקתודה יכול להכפיל את המתח. הוא הכפיל את הפוטנציאל של הסוללה, וחומר הקתודה בעל צפיפות האנרגיה הגבוהה הוא קל מאוד, אבל הוא יכול ליצור סוללה חזקה יותר. הוא יצר תנאים טובים יותר לפיתוח סוללות שימושיות יותר;

בשנת 1985, Akase Yoshino פיתח את הרובוט המסחרי הראשון. הוא בחר בחומצת הליתיום קובלט ששימשה את Goodeneuf כקתודה והחליף בהצלחה את סגסוגת הליתיום בפחמן בתור האלקטרודה השלילית של הסוללה. הוא פיתח סוללת ליתיום עם פעולה יציבה, משקל קל, קיבולת גדולה, החלפה בטוחה והפחתת מאוד את הסיכון לבעירה ספונטנית.

המחקר שלהם הוא שדחף את סוללות הליתיום לאינספור מוצרים אלקטרוניים, ומאפשר לנו ליהנות מחיי ניידים מודרניים. סוללות ליתיום יצרו תנאים מתאימים לחברה חדשה אלחוטית, נטולת דלק מאובנים, והועלו רבות לאנושות.

הטכנולוגיה אף פעם לא עוצרת

באותם ימים, לקח 10 שעות לטעון ו-35 דקות לדבר, אבל עכשיו, הטלפונים הניידים שלנו חוזרים כל הזמן. לא נהיה כפופים לבעיית הטעינה לאורך זמן כפי שעשינו בעבר, אבל הטכנולוגיה מעולם לא הפסיקה. אנחנו עדיין בוחנים את הדרך של קיבולת גדולה, גודל קטן וחיי סוללה ארוכים.

עד כה, בעיית הדנדריטים של סוללות ליתיום עדיין רודפת את החוקרים כמו רוח רפאים. מול סיכון אבטחה גדול זה, מדענים בכל העולם עדיין עובדים קשה. Goodenough, חתן פרס נובל בן ה-90, התמסר בנחישות למחקר ופיתוח של סוללות מוצק.

חבר, מה אתה חושב על אנרגיה חדשה? מה התחזית שלך לעתיד תחום הסוללות? מה הציפיות שלך מהטלפונים הניידים העתידיים?

ברוכים הבאים להשאיר הודעה לדיון, אנא שימו לב למדע החורים השחורים, והביאו לכם מדע מעניין יותר.