מאז שהטלפונים הניידים הפכו פופולריים, החשיבות של סוללות חשמליות נטענות גדלה בהתמדה ברחבי העולם. לפי ויקיפדיה, בשנת 2013, היו בשימוש 6.8 מיליארד טלפונים ניידים ברחבי העולם (כולל סמארטפונים) ול-97 מכל 100 אנשים בעולם היו בבעלותו לפחות טלפון נייד אחד. נתונים אלה כוללים כמה מהעניים שבינינו. בעוד שמספר גדול של משתמשים אינו עובר מעבר לביצוע שיחות קוליות בלבד (והודעות טקסט נדירות), הזמינות של ‘אפליקציות’ (או יישומים) חינמיות, מצוינות וקלות לשימוש, שגדלות במגוון ובמספר מיום ליום. , מושך בהדרגה רבים בקטגוריה זו להפוך למשתמשי טלפונים ניידים ‘הליבה’. אנשים רבים שמשתמשים במחשבים אישיים כמכשיר המחשוב העיקרי שלהם כיום, מודעים לכך שמחשבים אישיים יוותרו בקרוב על מעמד הבכורה שלהם בעולם המחשוב, מתחילים גם הם לעבור לסמארטפונים. גורמים אלו צפויים להוביל לעלייה של 35% במספר משתמשי הסמארטפונים עד 2020 (או 9.2 מיליארד משתמשים, ברחבי העולם).
ככל שהסמארטפונים הופכים דקים יותר, קלים יותר, חכמים יותר, משתמשים בצגים גדולים יותר וכן הלאה, הם גם נהיים יותר רעב. לפיכך, הצורך הקריטי בסוללות טעינה בעלות קיבולת גבוהה וסופר מהירה, אשר עשויות להיטען מספר רב של פעמים לפני אשפה, להצלחת הסמארטפונים העתידיים.
ישנם גם יישומים חשובים אחרים, התלויים בטעינה מהירה של סוללות לרווחתם. אחת מהן היא תעשיית הרכב החשמלי (EV). המשתמשים מצפים שזמן טעינת הסוללה יהיה דומה לזמן שייקח למילוי דלק בתחנת דלק היום, כלומר בסדר גודל של כ-4-5 דקות. אפליקציה חשובה נוספת היא ברשתות חכמות – אותן תחנות ניהול כוח חשמלי חכמות, שבהן מנוהלות כניסות חשמל והזרמות למשתמשים. סוללות טעינה/ריקון מהירה בעלות קיבולת גדולה נדרשות כדי לאגור עודפי אנרגיה (בכל פעם שהקלט עולה על הביקוש) ולשחרר אותה בכל פעם שיש גירעון. קצת פחות קריטיות, ובכל זאת חשובות, הן סוללות טעינה מהירה המשמשות בשעונים חכמים, בתים חכמים ומכשירי בריאות אישיים (PHDs).
לפני כמה שנים, התברר ללא ספק שסוללות ליתיום-יון (טכנולוגיית הסוללות הטובה ביותר שנמצאת בשימוש כיום) לא יהיו מספיקות לחלוטין לדרישות עתידיות. קיים פער כה רחב בין טכנולוגיית ה-Li-ion לבין הסוללה החזויה של העתיד, עד שהתברר למדי ש”קפיצה קוונטית” (או מהפכה) בטכנולוגיית הסוללה תספיק. לכן, למרות שזה עדיין לא פורסם בחדשות, מחקר קדחתני ותזזיתי הושק במרכזי מו”פ מובילים רבים של אוניברסיטאות ותאגידים כדי למצוא את טכנולוגיית הסוללה הנעלה של העתיד עם תכונות כגון: זמן טעינה לפי הסדר של כמה דקות או אפילו שניות (וואו!), משקל נמוך יותר (יורד עד חצי במקרה של סוללות EV), קיבולת גדולה יותר, בטיחות (ללא שריפות חשמליות ופיצוצים שמזכירים את תקלות הבואינג 787 של 2013! ), עלות נמוכה משמעותית, טיפול קל וזמני מחזור באלפים ועשרת אלפים!
לחשוב על השגת “קפיצה קוונטית” בטכנולוגיה תוך 1-2 שנים היה מותיר רבים בקהילה המדעית, נדהם בעבר הקרוב. אבל עכשיו, דברים השתנו! האדם, לאחר שקידם את גבולות הידע המדעי בקפיצות חסרות תקדים בתקופה האחרונה, נראה כי החוקרים של ימינו, היושבים בפסגות הידע המדעי, מציעים פתרונות מבטיחים ביותר בטיפת כובע בלבד!
אז הנה שורה של הטכנולוגיות המבטיחות ביותר שעוברות מחקר בזמן כתיבת מאמר זה. (הערה: מחקר סוללות טעינה מהירה מוצף כיום בטכנולוגיות חלופיות רבות המתחרות על המקום הראשון. בהיותו מספר רב כל כך, המחבר לא ניסה להציג רשימה ממצה. במקום זאת, הרשימה להלן מייצגת את הטוב שבכלל, לדעתו.)
טכנולוגיית אלומיניום-גרפיט (עיין במס’ 2 ו-4 לפרטים נוספים):
בראש הרשימה נמצאת טכנולוגיית אלומיניום-גרפיט שמפותחת באוניברסיטת סטנפורד, ארה”ב. הוא מרגש בגלל זמן הטעינה שלו בדקה אחת (כן, 60 שניות!). בעוד שהקיבולת שלו היא בערך מחצית מה-Li-ion, היא יותר מפצה על החסרון הזה בזכות זמן הטעינה הבלתי ייאמן שלו. בהשוואה לחיי Li-ion של כ-1000 מחזורי טעינה, אלומיניום-גרפיט מחזיק מעמד לפחות 7,500 מחזורים. הוא הרבה יותר בטוח גם מ-Li-ion – חוקרים אומרים שגם אם תקדח דרכו, הוא לא יתלקח!
טכנולוגיית אלומיניום-אוויר (עבור רכבים חשמליים) (מספרי אסמכתא 1 ו-2):
בסוללת אלומיניום-אוויר (אל-אייר) נעשה שימוש בחמצן מהאוויר בקתודה וכתוצאה מכך אין צורך במחמצן נפרד. לסוג זה של סוללות יש צפיפות אנרגיה שיכולה לספק ל-EV כוח רב כמו כדי להשוות אותו עם מקביליו המונעים בבנזין. הטווח בטעינה בודדת ומלאה הוא כ-1000 מייל! כמה טעינות עשויות להיות כל מה שאתה צריך אם אתה נוסע עד 2000 מייל בחודש!
מה שמדהים בסוללה הזו הוא שהיא רק חצי ממשקלה של סוללת הליתיום הנוכחית. כשחצי ממשקל הסוללה נגמר, אתה מקבל הרבה יותר מטען להובלת נוסעים וסחורות (הערה: הסוללה היא ללא ספק הרכיב הכבד ביותר של EV. בטסלה רודסטר, למשל, הסוללה תורמת לכשליש מהמשקל הכולל, כך שהמשקל שנחסך, כלומר שישית מסך, הוא ניכר).
טכנולוגיית אלומיניום-אוויר (עבור רכבים חשמליים) (הפניה מס’ 2):
זהו סוג שונה מטכנולוגיית אל-אייר שנידונה לעיל. וואו כי הוא פועל על מים (רגילים כמו מי ים) ויש לו פי 40 קיבולת של Li-ion!
טעינה מהירה המבוססת על ננוטכנולוגיה (מספר סימוכין 5):
StoreDot Ltd, חברת הייטק ישראלית לטעינה מהירה של סוללות תצא בקרוב עם “FlashBattery for SmartPhones”, מטען אוניברסלי לסמארטפונים. החברה משתמשת בתרכובות אורגניות קנייניות שנוצרו / מטופלות באמצעות ננוטכנולוגיה.
מה עושה את זה וואו? זה יכול להטעין כל טלפון, ללא קשר ליצרן או דגם, תוך דקה אחת (מקסימום)!
מלבד טלפונים, המטען יכול לשמש לטעינת מכשירים לבישים, PHDs, טאבלטים וכדומה. עם זאת, יש מלכוד – למרות שהוכח, הוא עדיין לא זמין מסחרית! עשויה לחלוף שנה מהיום עד שהוא יהיה זמין בחנויות קמעונאיות.
StoreDot תציע בקרוב גם את “FlashBattery for EV”, מטען מהיר למכוניות חשמליות. מוצר זה מיועד להטעין מצבר לרכב תוך חמש דקות בלבד!
טעינה מהירה על פני גלי רדיו (אסמכתא מס’ 2):
בטכנולוגיה זו, הספק החשמלי המשמש לטעינה מועבר באמצעות גלי רדיו.
לא מפתיע במיוחד, חוץ מזה שהוא אלחוטי ונטען ממרחק של עד 20 רגל. ויש גם מלכוד – זה לא זמין מיד בשוק.
טכנולוגיית זרימה אורגנית (הפניה מס’ 2 וויקיפדיה):
טכנולוגיית זרימה אורגנית, שפותחה על ידי MIT (המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס), מייצרת חשמל באמצעות חומר אורגני, AQDS (9,10-anthraquinone-2,7-disulfonic acid) כנושא המטען.
זה מדהים אותנו בכך שהוא מוריד 97% מעלות ייצור החשמל (שמקורו בסוללה) – בעוד שסוללות מתכת מספקות 1 KWh של כוח ב-$700, סוללות זרימה אורגנית נותנות לך כל כך הרבה כוח תמורת 27$ בלבד!
NANOBATTERIES (Reference No.2, 6 וויקיפדיה):
סוללות ננו מיוצרות מסוללות בגודל “ננו” (כלומר בגדלים בטווח של 10 מוגבהים עד -9 מטרים). סוללות “ננו” נוצרות על ידי הנחת שתי אלקטרודות בחור זעיר (או “ננופור”) בממברנה מבודדת חשמלית או בתרכובת מתכתית (כמו תחמוצת אלומיניום) המופרדות על ידי סרט בידוד דק. מספר רב של “ננופוריות” מתמזגות יחד ליצירת סוללה מלאה.
משהו סופרלטטיבי עליהם? כן! ננו-נקבוביות כה זעירות בגודלן עד שהן אינן נראות בנפרד. הם יכולים להחזיק עד פי ארבעה מהאנרגיה של Li-ion ולהיטען במלואו תוך 10 דקות. חוץ מזה, יש להם תוחלת חיים של כ-1,000 מחזורי טעינה.
טכנולוגיית ה-LITHIUM-TITANIUM DIOXIDE של NTU (עבור EVs) (הפניה מס’ 7&Wikipedia):
זוהי פריצת דרך טכנולוגית מאוניברסיטת נאניאנג הטכנולוגית (NTU) שבסיסה בסינגפור. על ידי החלפת קתודת הגרפיט שנמצאת בסוללות Li-ion לג’ל בעלות נמוכה העשוי מטיטניום דו חמצני, טוענת NTU שפיתחה סוללת טעינה מהירה במיוחד הנטענת ל-70% מהקיבולת שלה תוך שתי דקות! מלבד זמן הטעינה של שתי דקות, מה שמדהים הוא תוחלת החיים יוצאת הדופן של 20 שנה.
מכוון בעיקר לכלי רכב חשמליים, גורם תוחלת החיים של המצבר צפוי להוזיל במידה ניכרת עלויות שאם לא כן היו נוצרות עקב החלפות תכופות של מצבר.
פתק: כפי שהוזכר קודם לכן, חקר סוללות טעינה מהירה הוא תחום מתפתח שכיום עמוס במספר טכנולוגיות חלופיות המבטיחות. טכנולוגיות המבוססות על מצע קצף מתכתי, סיליקון, נתרן-יון, תאי דלק מיקרוביאליים המונעים בשתן, שמש, מימן, פיח נרות ועוד כמה שנמצאים תחת מו”פ, עקפו תוך יצירת הרשימה לעיל, שלדעת המחבר היא הטובה ביותר מבין מִגרָשׁ. אחת המחדלות הבולטות היא טכנולוגיית “טעינת האוויר” של מרדית’ פרי, המשתמשת בחשמל המועבר באמצעות אולטרסאונד לצורך טעינה. עד לפני זמן קצר, טכנולוגיה שזכתה לה זמן רב ועתידה מאוד, היא ככל הנראה לא הצליחה לעמוד במבחני הערכה אחרונים, כך שנאלצה להפסיק לשקול אותה.
הפניות: (גזור+הדבק של הקישור בדפדפן שלך נדרש כדי לגשת למספרים 3 עד 7)
1. ג’פרי מארלו, “10 התחומים החמים של מחקר המדע”, 10 התחומים החמים ביותר של מחקר המדע | חוטי, http://www.wired.com/2013/08/the-10-hottest-fields-of-science-research/
2. מוך כיס, “סוללות עתידיות, בקרוב: נטענות בשניות, חודשים אחרונים, וטעינה באוויר”, סוללות עתידיות, בקרוב: נטענות בשניות, חודשים אחרונים, וטעינה באוויר – Pocket-lint, http://www.pocket-lint.com/news/130380-future-batteries-coming-soon-charge-in-seconds-last-months-and-power-over-the-air
3. ScienceDaily,”Battery Research,” Batteries News — Science Daily, sciencedaily.com/news/matter_energy/batteries/
4. אוניברסיטת סטנפורד, “סוללת אלומיניום מסטנפורד מציעה חלופה בטוחה לסוללות קונבנציונליות,” news.stanford.edu/news/2015/march/aluminum-ion-battery-033115.HTML
5. StoreDot Ltd.,”FlashBattery for Smartphones,” StoreDot What We Do, store-dot.com/#!smartphones/c1u5l
6. Ars Technica,”סוללה חדשה המורכבת מהרבה ננו-סוללות,” | Ars Technica, arstechnica.com/science/2014/11/new-battery-composed-of-lots-of-nanobatteres/
7. האוניברסיטה הטכנולוגית של Nanyang, “NTU מפתחת סוללות טעינה מהירה במיוחד שמחזיקות מעמד 20 שנה,” News Detail, media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2f-95f0-4995-b5c0-10ae4c4c0