שינוי עיצוב פשוט זה יכול סוף סוף לתקן סוללות מוצק

ב-7 בינואר, KAIST הכריזה על פריצת דרך של צוות מחקר בראשות פרופסור דונג-הווה סאו מהמחלקה למדע והנדסת חומרים. הפרויקט הפגיש חוקרים בראשות פרופסור סונג-קיון יונג (האוניברסיטה הלאומית של סיאול), פרופסור יון-סוק יונג (אוניברסיטת יונסאי) ופרופסור קיונג-וואן נאם (אוניברסיטת דונגוק). יחד, הם פיתחו גישת עיצוב חדשה עבור חומרי סוללה מרכזיים במצב מוצק, המשתמשת בחומרי גלם זולים תוך שמירה על ביצועים חזקים וסיכון נמוך יותר של שריפה או פיצוץ.

מדוע אלקטרוליטים מוצקים בטוחים יותר אך קשה יותר לייעל

סוללות ליתיום-יון מסורתיות תלויות באלקטרוליט נוזלי המאפשר ליוני ליתיום לעבור בין אלקטרודות. סוללות במצב מוצק מחליפות את הנוזל הזה באלקטרוליט מוצק, מה שמשפר מאוד את הבטיחות. עם זאת, יוני ליתיום נעים לאט יותר דרך מוצקים, ומאמצי העבר להאיץ אותם היו תלויים לעתים קרובות במתכות יקרות או בטכניקות ייצור מסובכות.

שימוש בכימיה של קריסטל כדי להאיץ את תנועת הליתיום

כדי לפתור בעיה זו, החוקרים התמקדו בשיפור האופן שבו יוני ליתיום עוברים דרך אלקטרוליטים מוצקים. האסטרטגיה שלהם התרכזה בשימוש ב"אניונים דו ערכיים" כגון חמצן וגופרית. אלמנטים אלה משפיעים על מבנה הגביש של האלקטרוליט בכך שהם הופכים לחלק מהמסגרת הבסיסית שלו, מה שיכול לשנות את האופן שבו יונים נעים בתוך החומר.

הצוות יישם את הרעיון הזה על אלקטרוליטים מוצקים הלידים מבוססי זירקוניום (Zr) בעלות נמוכה. על ידי הכנסת אניונים דו ערכיים בקפידה, הם הצליחו להתאים במדויק את המבנה הפנימי של החומר. גישה זו, המכונה "מנגנון ויסות המסגרת", מרחיבה את המסלולים הזמינים ליוני הליתיום ומפחיתה את האנרגיה הדרושה לתנועתם. כתוצאה מכך, יוני ליתיום יכולים לנוע במהירות וביעילות רבה יותר דרך החומר המוצק.

כלים מתקדמים מאשרים שיפורים מבניים

כדי לאשר שהשינויים המבניים הללו פעלו כמתוכנן, החוקרים הסתמכו על מגוון שיטות אנליטיות מתקדמות, כולל:

• עקיפה של קרני רנטגן סינכרוטרון באנרגיה גבוהה (Synchrontron XRD)
• ניתוח פונקציית הפצת זוג (PDF).
• ספקטרוסקופיה של קליטת רנטגן (XAS)
• מודלים של תיאוריית תפקוד צפיפות (DFT) עבור מבנה אלקטרוני ודיפוזיה

טכניקות אלו אפשרו לצוות לבחון מקרוב כיצד השתנה מבנה הגביש וכיצד שינויים אלו השפיעו על תנועת הליתיום-יון.

רווחי ביצועים באמצעות חומרים לא יקרים

בדיקות הראו שהוספת חמצן או גופרית לאלקטרוליט הגדילה את ניידות הליתיום-יון פי שניים עד ארבעה בהשוואה לאלקטרוליטים רגילים מבוססי זירקוניום. שיפור זה מצביע על כך שסוללות מוצק יכולות להגיע לרמות ביצועים המתאימות לשימוש בעולם האמיתי מבלי להסתמך על חומרים יקרים.

בטמפרטורת החדר, האלקטרוליט המסומם בחמצן השיג מוליכות יונית של כ-1.78 mS/cm, בעוד שהגרסה המסוממת בגופרית הגיעה לכ-1.01 mS/cm. מוליכות יונית מודדת באיזו קלות עוברים יוני ליתיום דרך חומר, וערכים מעל 1 mS/cm נחשבים בדרך כלל מתאימים ליישומי סוללה מעשיים בטמפרטורת החדר.

העברת חדשנות סוללה לכיוון עיצוב חכם יותר

פרופסור Dong-Hwa Seo הסביר את המשמעות הרחבה יותר של העבודה, ואמר: "באמצעות מחקר זה, הצגנו עיקרון עיצובי שיכול בו-זמנית לשפר את העלות והביצועים של סוללות כל-מצב מוצק תוך שימוש בחומרי גלם זולים. הפוטנציאל שלו ליישום תעשייתי גבוה מאוד". המחבר הראשי ג'ה-סונג קים הדגיש שהמחקר מדגיש שינוי במחקר הסוללות, מרחיק את תשומת הלב מעצם בחירת חומרים חדשים ולכיוון תכנון מבנים טובים יותר.

תמיכה בפרסום ובמחקר

המחקר, בהובלת המחברים הראשונים ג'ה-סונג קים (KAIST) וד-סאול האן (אוניברסיטת דונגוק), פורסם בכתב העת הבינלאומי תקשורת טבע ב-27 בנובמבר 2025.

המימון למחקר ניתן על ידי מרכז קידום הטכנולוגיה העתידית של Samsung Electronics, קרן המחקר הלאומית של קוריאה והמרכז הלאומי למחשוב-על.