סוללות נטענות המונעות על ידי אשלגן: מאמץ לקראת סביבה בת קיימא יותר

טוסה 30 600kb
טוסה 30 600kb
אוואטר של עורך תוכן סינדיקט
נכתב על ידי עורך תוכן מסונכרן

החלפת ליתיום בסוללות נטענות בחומר שופע יותר כמו אשלגן יכולה לעזור לנו לפתח מקור אנרגיה ידידותי יותר לסביבה.

החששות ממחסור בליתיום ובחומרים אחרים הדרושים בסוללות הליתיום-יון שנמצאות כיום בכל מקום, גרמו לאחרונה חוקרים רבים לחפש חלופות, כגון נתרן ואשלגן. פרופ 'שיניצ'י קומבה מאוניברסיטת טוקיו למדע ביפן וצוותו עבדו למעלה מעשור בנושא זה. במאמר הסקירה האחרון שלו, הוא דן בהרחבה בממצאיו על ההתקדמות, ההבטחות והמגבלות האחרונות של סוללות אשלגן-יון.

 אורח החיים המודרני שלנו יהיה שונה מאוד ללא סוללות נטענות. בשל הטכנולוגיה הזולה למחזור שלהן, משתמשים בסוללות אלה ברוב המכשירים האלקטרוניים הניידים, ברכבים חשמליים והיברידיים ובמערכות ייצור חשמל מתחדשות. ולמה הם לא צריכים להיות? הם מציעים פתרון אלגנטי לדרישות האנרגיה הגוברות בעולם. יתר על כן, סוללות נטענות מהוות כלי חיוני במערכות שקוטפות אנרגיה מתחדשת, כמו רוח ואור שמש, מכיוון שמקורות אלה יכולים להשתנות מאוד עם מזג האוויר. סוללות נטענות מאפשרות לנו לאחסן את החשמל המיוצר ולהעבירו על פי דרישה. לפיכך, אין זה מפתיע שחוקרים ברחבי העולם התמקדו בשיפור סוללות נטענות כצעד לקראת פיתוח משאבי אנרגיה בר קיימא.

מאז המסחור שלהם, סוללות ליתיום-יון (LIB) היו הסוללות הנטענות בגלל הביצועים המצוינים שלהן. עם זאת, עם התגברות הביקוש בעקבותיהם, יחד עם הזמינות המוגבלת של ליתיום וקובלט (אלמנט הכרחי נוסף ל- LIB) בקרום כדור הארץ, השימוש ב- LIB עשוי להפוך בקרוב לבעיה גדולה. זו הסיבה שצוות מדענים מאוניברסיטת טוקיו למדע בראשותו של פרופ 'שיניצ'י קומבה החליט ללכת בדרך פחות נסיעה: הם התמקדו בהחלפת היסוד המתיש ליתיום בחלופות טובות יותר כמו נתרן ואשלגן. נתרן ואשלגן נמצאים באותה קבוצת מתכות אלקליות בטבלה המחזורית של היסודות, וטבעם הכימי דומה לפיכך. אך בניגוד לליתיום, יסודות אלה נמצאים בשפע רבות על פני כדור הארץ, והשימוש בהם לפיתוח סוללות נטענות בעלות ביצועים גבוהים יהווה פריצת דרך ליצירת חברה בת קיימא יותר.

בשנת 2014, פרופ 'קומבה, יחד עם פרופ' סטנלי וויטינגהם, שזכה בפרס נובל לכימיה בשנת 2019, ניתחו את מצב הפיתוח הנוכחי של סוללות נתרן-יון ופרסמו את הערכותיו כסקירה. זה הפך למחקר שצוטט מאוד, עם למעלה מ -2,000 ציטוטים רק בחמש השנים האחרונות. פרופ 'קומבה וצוותו בחנו אחר כך אלטרנטיבה סבירה אחרת ל- LIB, סוללות אשלגן-יון (KIB), שהפכו אט אט למוקד של מחקר מקיף מאז 5 לאחר מחקרים חלוציים מסוימים (למשל, מחקר שפורסם ב חומרי טבע בשנת 2012), שחלקם בוצעו על ידי הקבוצה של קומבה. השימוש באשלגן בסוללות מבטיח מכיוון שהם מציגים ביצועים דומים (או אפילו טובים יותר) ל- LIB. יתרה מכך, החומרים הדרושים לבניית KIBs אינם רעילים ונמצאים בשפע הרבה יותר מאלו הנדרשים עבור LIBs. פרופ 'קומבה קובע, "על ידי לימוד חומרים חדשים ליישומים בסוללות ליתיום, נתרן, אשלגן-יון, רצינו לפתח טכנולוגיה חסכונית באנרגיה וידידותית לסביבה."

במאמץ מדהים להקל על מחקר נוסף, קבוצת מחקר של פרופ 'קומבה ניתחה את פעולתם של KIBs בפירוט רב בסקירה מקיפה שפורסמה ביקורות כימיות. הנייר שלהם מקיף את כל הקשור להתפתחות KIBs, החל מחומרים קתודים ואנודה, אלקטרוליטים שונים ו- KIB מלאים, וכלה בסמים אלקטרודות ותוספי אלקטרוליטים. יתר על כן, הסקירה משווה בין החומרים השונים המשמשים בסוללות ליתיום, נתרן ואשלגן. בהיותו המחקר היחיד שמנתח באופן מקיף כמה היבטים של סוללות נטענות, זה יכול להועיל באמת עבור מובילים חוקרים בהווה ובעתיד בכיוון הנכון. בעל כמויות מקיפות של מחקרי עבר על KIB וכל התובנה הנרכשת המורכבת על מאמר יחיד הוא בעל ערך עצום לכל מי שמעוניין להתעמק בנושא מחקר זה.

ההתפתחות המתמשכת של KIBs תקווה להביא לעלייה בשימוש בחלופה הנחשקת הזו ל- LIB. "כפי שמעידים מחקרים אינטנסיביים אחרונים, KIB מוכרים כמבטיחים לדור הבא לסוללה בשל מאפייניהם הייחודיים, כגון עלות יעילות, מתח גבוה והפעלת הספק גבוה. שיפורים נוספים בביצועי KIB היו סוללים את הדרך ליישומם המעשי ", מסביר פרופ 'קומבה.

עם זאת, המחקר על היבטים מסוימים של KIB, כגון בטיחותם, היה מוגבל, ויש להתמקד בהשגת תובנה רבה יותר לגבי המתרחש מבחינה פיזית וכימית בין המרכיבים והאלמנטים השונים. פרופ 'קומבה מקווה בעניין זה ומסכם באומרו, "מחקר על KIBs, כולל חומרי אלקטרודה, אלקטרוליטים שאינם מימיים / מוצקים, ותוספים יספקו תובנות חדשות לגבי תגובות האלקטרודות ויונים מוצקות, ויפתחו אסטרטגיות חדשות שיאפשרו יצירת סוללות הדור הבא."קבוצת המחקר שלו התמקדה גם בקבלי-על ותאי דלק ביולוגיים יחד עם שני LIB וגם סוללות נתרן-יון, אשר כולם יכלו למצוא פונקציות חשובות מאוד בחברה בת קיימא יותר בעתיד.

 

אודות אוניברסיטת טוקיו למדע

אוניברסיטת טוקיו למדע (TUS) היא אוניברסיטה ידועה ומכובדת, ואוניברסיטת המחקר הפרטית הגדולה המתמחה במדע ביפן, עם ארבעה קמפוסים במרכז טוקיו ופרבריה ובהוקאידו. האוניברסיטה, שהוקמה בשנת 1881, תרמה ללא הרף להתפתחותה של יפן במדע באמצעות השבחת האהבה למדע אצל חוקרים, טכנאים ומחנכים.

עם המשימה של "יצירת מדע וטכנולוגיה להתפתחות הרמונית של טבע, בני אדם וחברה", TUS ביצעה מגוון רחב של מחקר ממדע בסיסי למדע יישומי. TUS אימצה גישה רב תחומית למחקר וביצעה מחקר אינטנסיבי בכמה מהתחומים החיוניים ביותר כיום. TUS היא מריטוקרטיה שבה מוכרים ומטפחים את הטובים ביותר במדע. זו האוניברסיטה הפרטית היחידה ביפן שהפיקה חתן פרס נובל והאוניברסיטה הפרטית היחידה באסיה שמייצרת זוכי פרס נובל בתחום מדעי הטבע.
אתר אינטרנט: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

 

על פרופסור שיניצ'י קומבה מאוניברסיטת טוקיו למדע

פרופ 'שיניצ'י קומבה השיג את הדוקטורט. מאוניברסיטת ווסדה, יפן, ואז הצטרף לאוניברסיטת איווייט כעמית מחקר. לאחר מחקר פוסט-דוקטורט של שנה בצרפת, הוא הצטרף לאוניברסיטת טוקיו למדע בשנת 2005 כדי לעבוד על פיתוח אלקטרודות, אלקטרוליטים וחומרים מחייבים לסוגים שונים של סוללות נטענות. קבוצת המחקר שלו מבצעת מחקר חדשני בתחום הסוללות הנטענות והיישומים האלקטרוכימיים שלהם. הוא גם המחבר המקביל של מאמר סקירה זה. עם יותר מ -250 פרסומים לזכותו, פרופ 'קומבה זכה בפרסים בינלאומיים רבים, כולל תואר "חוקר מצוטט מאוד" בשנת 2019. 

מידע על מימון

מחקר זה מומן בחלקו על ידי תוכנית MEXT "ESICB" (JPMXP0112101003); תוכנית A-STEP (# JPMJTS1611); ותכנית קונצרט-יפן (# JPMJSC17C1), סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן (JST); ומספרי מענק של JSPS KAKENHI JP16K14103, JP16H04225 ו- JP18K14327.

על הסופר

אוואטר של עורך תוכן סינדיקט

עורך תוכן מסונכרן

שתף עם...