סוללות נתרן במצב מוצק הן אלטרנטיבה מבטיחה לסוללות ליתיום.

חוקרים פיתחו סוללת נתרן במצב מוצק לחלוטין ששומרת על ביצועים בטמפרטורות מתחת לאפס. הסוללה, שפותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, עשויה לסייע בהחלפת מכשירי חשמל מבוססי ליתיום.

החוקרים גילו גם כי נתרן הוא אלטרנטיבה זולה, נפוצה ופחות מזיקה, אך סוללות המצב המוצק שיצרו כיום אינן פועלות היטב בטמפרטורת החדר.

ucsd-jacobsschool-2407-meng-lab-deysher-grayson-06232-8mp-1380px.jpg — את המחקר הובילה פרופסור י. שירלי מנג, מבית הספר פריצקר להנדסה מולקולרית, אוניברסיטת שיקגו.

המהנדסים חיממו צורה חצי-יציבה של נתרן הידרידובוראט עד לנקודה שבה היא החלה להתגבש, ולאחר מכן קיררו אותה במהירות כדי לייצב את מבנה הגביש באופן קינטי. זוהי טכניקה מוכרת, אך כזו שמעולם לא יושמה קודם לכן על אלקטרוליט מוצק.

היכרות זו יכולה לסייע להפוך את החידוש המעבדתי הזה למוצר של ממש בעתיד, אומרים החוקרים.

"זה לא עניין של נתרן מול ליתיום, אנחנו צריכים את שניהם", אמרה פרופסור י. שירלי מנג, מבית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר באוניברסיטת שיקגו (UChicago PME - ארה"ב). "כאשר אנו חושבים על פתרונות אחסון אנרגיה עתידיים, עלינו לדמיין את אותו מפעל ענק המסוגל לייצר מוצרים המבוססים על כימיה של ליתיום ונתרן כאחד. מחקר חדש זה מקרב אותנו למטרה הסופית הזו תוך קידום המדע הבסיסי לאורך הדרך."

הצוות מציין גם כי הכימיה של הנתרן מעניינת, אך האלקטרוליט המוצק של נתרן מראה מוליכות יונית מוגבלת בטמפרטורת החדר.

עבודתה של קבוצת המחקר מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו משלבת נתונים חישוביים וניסויים כדי להעריך את האופי המטא-סטבי של נתרן הידרידובוראט ומדגימה כי קירור מהיר ממשטר ההתגבשות נועל את דינמיקת הפאזה האורתורומבית עם נדידת Na+ מהירה.

סוללות נתרן במצב מוצק מציעות תקווה לפתרון אנרגיה פחות מזיק לסביבה.

החוקרים מציינים כי בשילוב עם קתודה מצופה אלקטרוליט מוצקה מבוססת כלוריד, פאזה יציבה במיוחד זו מאפשרת יצירת קתודות מרוכבות צפופות בעלות עומס שטח גבוה, אשר שומרות על ביצועים בטמפרטורות מתחת לאפס.

"מכיוון שהעיקרון הבסיסי הוא לייצב קינטית את המסגרת האניונית לטובת דיפוזיה, גישה זו ניתנת להעברה להידרידובורטים קשורים ולכימיה של אשכולות אניוניים אחרים. עבודה זו מספקת אסטרטגיית תכנון מעשית והנחיות עיבוד עבור אלקטרוליטים מוצקים בעלי ביצועים גבוהים", מדווח הצוות.

המחבר השותף סם או ממכון A*STAR לחקר והנדסת חומרים בסינגפור אמר שהמחקר מסייע להציב נתרן במגרש משחקים שווה יותר עם ליתיום מבחינת ביצועים אלקטרוכימיים.

"פריצת הדרך שהשגנו היא שאנחנו למעשה מייצבים מבנה יציב למחצה שמעולם לא דווח קודם לכן. למבנה יציב למחצה זה של נתרן הידידובוראט יש מוליכות יונית גבוהה מאוד, גבוהה לפחות בסדר גודל אחד מהמוליכות היונית המדווחת בספרות, וגבוהה בשלושה עד ארבעה סדרי גודל מהמוליך עצמו."

מחקר זה מציע את האפשרות להשתמש בחומר גלם זול וזמין הרבה יותר מאשר ליתיום. במשך שנים רבות, יחד עם פיתוח מכשירים דיגיטליים ניידים, האנושות נאלצה לעשות פשרות סביבתיות עצומות בעת כרייה וזיקוק ליתיום.