סוללת ליתיום

סוללות ליתיום הן סוללות חד פעמיות אשר מורכבות מתרכובות של מתכת ליתיום או מליתיום טהור (Li). סוללות ליתיום נבדלות מהסוללות האחרות באורך חייהן, בממדיהן הקטנים ובאיכותן. כתוצאה מסיבות אלו מחיר סוללות הליתיום גבוה ביחס לסוגי הסוללות האחרות. תאי הליתיום של הסוללה יכולים לספק מתח חשמלי בטווח של 1.5V-3.7V. המונח "סוללות ליתיום" הוא מונח אשר מכליל את כל סוגי סוללות הליתיום אשר בינן הבדלים רבים כגון: גודל, צורה וכן סוגי הקתודות והאנודות אשר נמצאים בסוללה המסוימת. הסוללה צורכת בין 0.15-0.3 קילוגרם ליתיום לקוט"ש (קילוואט לשעה). ערך מורחב – סוללה חשמלית תהליך המצאת סוללות הליתיום נמשך במשך תקופה ארוכה ועדיין סוללות הליתיום הולכות ומשתכללות מדי שנה. לכן מספר אנשים פיתחו את הסוללה ולא אחד. הראשון שבנה סוללה חשמלית היה אלסנדרו וולטה (1745 - 1827). הוא בנה את תא וולטה (תא נוזלי). המצאתו של וולטה אפשרה למדענים בימיו לחקור את תכונות החשמל ויכולותיו. הסוללה החשמלית הראשונה הייתה תא שבתוכו היו ערוכים לסירוגין, בזה אחר זה, לוחות עשויים אבץ ונחושת: לאחר לוח אבץ בא לוח נחושת ואחריו שוב לוח אבץ, וכך הלאה. לוחות אלה הם האלקטרודות (האנודה והקתודה). הן מופרדות זו מזו בשכבות של חומר נקבובי, רווי באלקטרוליט, לרוב תמיסה של חומצה גופרתית מהולה. כל תא כזה ובו לוח אבץ, לוח נחושת וביניהם אלקטרוליט הוא תא חשמלי העומד בפני עצמו, וניתן לחברו לתא הבא אחריו בטור, ליצירת מתח חשמלי גבוה יותר. לרוע המזל, התברר שלאחר שימוש ממושך בסוללה, מצטברת על האלקטרודות שכבה של גז המבודדת אותן מבחינה חשמלית. עם השנים הסוללה הלכה והשתכללה עד שבשנת 1970 גילה מנלי סטנלי וויטנגהם (Manley Stanley Whittingham), בזמן שעבד בחברת אקסון (Exxon), את הקונספט של אלקטרודות אינטרקלציה, אשר הובילו את חברת אקסון לייצור סוללת ליתיום ראשונה המבוססת על קתודת טיטניום (II) סולפיד ועל אנודת ליתיום-אלומיניום. אינטרקלציה ודה-אינטרקלציה של יוני ליתיום מגרפיט ואינטרקלציה אל תחמוצות קתודיות דווחו גם הן בשנת 1970 על ידי J.O. Besenhard, שהציע את השימוש במערכות אלו כסוללות ליתיום בעלות צפיפויות אנרגיה גבוהות. כיוון שסוללות ליתיום ראשוניות, בהן האלקטרודה השלילית מורכבת ממתכת ליתיום, סבלו מבעיית בטיחות, חוקרים רבים פנו לפיתוח סוללות בהן שתי האלקטרודות מורכבות מחומרים שמכילים יוני ליתיום בלבד, אך אינם מכילים מתכת ליתיום. בשנת 1979 ג'ון גודאינף הציג תא נטען בעל מתח של 4 וולט הכולל מתכת ליתיום כאלקטרודה שלילית ותחמוצת ליתיום קובלט כאלקטרודה החיובית. השימוש בליתיום קובלט אוקסיד היציב בתא כחומר קתודי, פתח אפשרויות רבות עבור מערכות סוללות נטענות. היה זה הפיתוח של אנודות גרפיט בתחילת שנות ה-80 על ידי מעבדות בל אשר סימן את תחילת המעבר מסוללות ליתיום המבוססות על ליתיום מתכתי כאנודה לסוללות המבוססות על יוני ליתיום. בסוללה ישנם שלושה מרכיבים עיקריים: אנודה - (קוטב חיובי) שבה מתרחש תהליך חיזור, שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני (צרכן החשמל). קטודה- (קוטב שלילי) שבה מתרחש תהליך חמצון, שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני. אלקטרוליט - תווך המפריד בין האנודה לקתודה ומאפשר את יצירת הפרש הפוטנציאלים ביניהן. הוא מכיל בסיס, חומצה או סוג של מלח. הסוג הנפוץ ביותר של סוללות ליתיום אשר נמכרות לצרכנים, בנויות ממתכת ליתיום כאנודה ודו תחמוצת מנגן עם מלח ליתיום מומס בממס אורגני כקתודה. סוג נוסף של סוללות ליתיום בהן יש אנרגיה גדולה הוא סוללת ליתיום אשר בה תא ליתיום של תיוניל כלוריד. סוללות ליתיום תיוניל כלוריד בדרך כלל לא נמכרות לצרכן בשוק, ולרוב משתמשים בהן ביישומים תעשייתיים, או שהן מותקנות במכשירים בהם הלקוח לא יכול להחליף את הסוללות. התא מכיל תערובת נוזלית של תיוניל כלוריד (SOCl2) וליתיום (lithium tetrachloroaluminate), הפועלים כקתודה ואלקטרוליט, בהתאמה. חומר פחמן נקבובי משמש כאספן קתודה אשר מקבל אלקטרונים מהמעגל החיצוני. סוללות ליתיום תיוניל כלוריד מתאימות גם ליישומים אשר צורכים אנרגיה מאוד נמוכה אך למשך זמן רב, כגון מערכות אזעקה אלחוטיות. לסוללות הליתיום יכולת קיבול גבוהה במיוחד, וכל זאת באריזה קומפקטית וקטנה. אחסון לא נכון של הסוללה עלול לגרום להתדרדרות בביצועיה. סוללה שנשארת במכשיר אותו היא מפעילה למשך זמן רב ללא כל שימוש במכשיר, פורקת כוח אלקטרוני זעיר לתוך המכשיר גם כשהמכשיר כבוי, דבר זה עלול להוביל לפריקת הסוללה וכתוצאה מכך לסיום אורך חיי הסוללה. כדי למצות את מירב חיי הסוללה חשוב לשמור על הסוללה במרחב מוצל ולא חם מדי, ולא לנצל הרבה כוח של הסוללה בבת אחת. דבר נוסף אשר ניתן לעשות הוא לשמור את הסוללה בתוך האריזה עד שייעשה שימוש בה. שימוש בסוללות ליתיום קטנות, נעשה לרוב במכשירים אלקטרוניים ניידים כגון: מחשבי כף יד, שעונים, מצלמות וידאו, מצלמות פילם, מדי חום, מחשבונים ומנעולי מכוניות. סוללות הליתיום זמינות במגוון צורות וסוגים. בדרך כלל, צורת הסוללה היא עיגול דמוי מטבע, בקוטר של עד כ־20 מ"מ ועובי שבין 1.6-4 מ"מ. דרישות החשמל הגבוהות של מכשירים שונים הופכות את סוללת הליתיום ליותר שימושית במכשירים הללו. סוללות ליתיום, יכולות לתמוך בקלות בדרישות מתח קצרות או כבדות של מכשירים, כגון מצלמות דיגיטליות. לרוב, משתמשים בסוללות הליתיום במוצרים בהם המכשיר צריך לפעול לפרק זמן ארוך כדוגמת אזעקות, או מתקנים אשר פעילותם חייבת להיות מתמדת, לדוגמה: קוצבי לב מלאכותיים או מתקנים רפואיים אחרים אשר מושתלים בגוף ואמורים לעבוד בדרך כלל במשך 15 שנים. סוללות הליתיום לרוב לא יימצאו בצעצועים, הפועלים על סוללות רגילות, מכיוון שמחיר סוללות הליתיום כאמור גבוה. ישנם גם שעונים ומצלמות אשר פועלים על סוללות ליתיום, בשל היתרון של "זמן החיים" הארוך בסוללות אלו. שימוש בסוללת ליתיום יקטין את הצורך בהחלפת הסוללה בתדירות גבוהה, וכך יחסוך בעלויות. בנוסף, משתמשים בסוללות ליתיום במכשירים ימיים, כגון מכשירי קשר, מכיוון שסוללת ליתיום אחת מכילה פי 3 אנרגיה מסוללה רגילה, דבר אשר בחלק מהמקרים מצדיק את מחירן הגבוה. סוללת הליתיום היא סוללה שעלויות הייצור שלה גבוהות בהשוואה לעלויות הייצור של סוללות רגילות. אולם, בשל האנרגיה הרבה שאגורה בתוכה, יתרונה בשימוש לטווח ארוך, מכיוון שהיא חוסכת את הצורך בהחלפה תדירה של הסוללה וכתוצאה מכך אין צורך לפרק את המכשיר שבו היא נמצאת, והדבר מקבל חשיבות יתר במיוחד בהתקנים רפואיים שנמצאים בתוך גוף האדם, ששם משמעות החלפת סוללה הוא ניתוח. סוללות אלו היו נפוצות גם בצילום (פילם), משום הפריקה העצמית הנמוכה שלה וקיבולת האנרגיה הגדולה שלה. קיבולת האנרגיה של סוללות הליתיום נמדדת כמו כל שאר הסוללות ביחידות של Ah (אמפר שעה). כלומר, כאשר מצוין על גבי סוללה שהיא בעלת קיבולת של 1Ah, הכוונה היא שהסוללה מסוגלת לספק זרם של אמפר אחד במשך שעה. לדוגמה, מכשיר אלקטרוני שצורך 100mA, וניזון מסוללה שהקיבולת שלה 1300mAh, ירוקן את הסוללה תוך 13 שעות עבודה. בפועל, חישוב זה הוא פשטני למדי שכן בפועל, כאשר סוללה קרובה להתרוקן, יורד בהדרגה גם המתח בין הדקיה. כאמור, אורך חיי סוללת הליתיום גדול, אודות לקיבול האנרגיה הגבוהה שלה, בנפח קטן, ולכן נמצא אותה בעיקר במכשירים שנדרשים לעבוד במשך זמן רב. מכיוון שסוללות הליתיום קטנות, יש סכנה שילדים קטנים יבלעו אותן. בנוסף, בשל צורתה העגולה של הסוללה, הסוללה עלולה להיתקע בוושט של הילדים ולגרום לנזק לטווח ארוך, סיבוכים קליניים ואפילו מוות. לעיתים הסוללה לא נתקעת בוושט וכך היא ממשיכה בדרכה עד שמגיעה למערכת העיכול שם היא יכולה לפרוק את מטענה החשמלי ולגרום לנזק ברקמות. נזק זה הוא רציני למדי והוא עלול לגרום למוות. לרוב סוללות בצורת דיסק לא פורקות את מטענן החשמלי אך הן יכולות להישאר תקועות במערכת העיכול. סוללות ליתיום מספקות זרם גבוה מאוד במהירות רבה. תכונה זו הופכת את הסוללה לשימושית, במוצרים אשר זקוקים לפריקה מהירה. אך מאותה תכונה, נוטות סוללות הליתיום להתחמם יתר על המידה ואף להתפוצץ. כדי למנוע התחממות והתפוצצות, נהוג לשלב במכשיר בו שמים את הסוללה, פתחי אוורור או אמצעי הגנה אחרים. במקרים מסוימים סוללות הליתיום יכולות לגרום לכוויה כימית. סוללות ליתיום שאינן בשימוש, הן מקור זמין של מתכת ליתיום למעבדות ליצירת סמים בלתי חוקיים. תחומי שיפוט או עסקים מסוימים ביקשו לבצע הגבלות מרצון של רכישת סוללות ליתיום, כדי למנוע הכנת מעבדות סמים בלתי חוקיות. דוגמה לעסק אשר הגביל את רכישת סוללות הליתיום היא רשת חנויות "וול מארט" בארצות הברית, שהגבילה בשנת 2004 את מכירת חבילות סוללות הליתיום ל-3 במיזורי, ול-4 חבילות במדינות אחרות. בספטמבר 2010 התרסקה טיסת מטען UPS 6 בדובאי לאחר שפרצה שרפה במטוס. חוקרי תאונות תעופה תלו את האשמה בעשרות אלפי סוללות ליתיום שהיו במטען. החל מאחד בינואר 2013, החלו תקנות מחמירות ביותר בנוגע לנשיאת סוללות ליתיום דרך האוויר. תקנות אלו הוצגו על ידי IATA, והן אומצו על ידי איגוד הדואר העולמי. לעומת זאת, במדינות כמו בריטניה לא הסכימו כלל למכור סוללות ליתיום, אלא אם כן הסוללות נמצאות בתוך המכשיר אותו הן מפעילות. בגלל הסיכונים וההגבלות שהוזכרו, משלוח והובלה של סוללות ליתיום קשה ויקר במצבים מסוימים, בעיקר באוויר. אבטחת התחבורה והמנהל של ארצות הברית הודיעה על הגבלות בנשיאת סוללות ליתיום במזוודות. הכללים חלים על סוללות ליתיום אשר לא מותקנות בתוך המכשיר אותו הן מפעילות. תקנות בריטניה על הובלת סוללות ליתיום תוקנו על ידי מרכז החירום הכימי בשנת 2009. בסוף שנת 2009 הגבילו מספר ממשלי דואר את כמות המשלוחים של סוללות ליתיום, סוללות ליתיום-יון ומוצרים אשר מכילים סוללות כאלו בתוכם. כמה מהמדינות שביצעו מהלך זה הן יפן, הונג קונג וארצות הברית. אוסטרליה הודיעה על איסור של העברת סוללות ליתיום במשלוחים דרך האוויר במהלך שנת 2010. סוללות הליתיום מהוות בעיה לסביבה מכיוון שלאחר שנעשה בהן השימוש וצריך למחזר אותן, לא ניתן לבצע בהן טיפול מכני, כגון גריסה, מכיוון שהרכב הסוללות מכיל חומרים אורגניים ומתכות רעילות. התקנות לסילוק ומחזור סוללות הליתיום משתנות מארץ לארץ ולפעמים אף מאזור לאזור באותה הארץ. דבר זה מתבטא בכך שמוסיפים תקנות נוספות לגבי המחזור והסילוק של הסוללות בנוסף לתקנות הלאומיות בנושא זה. בישראל נאספים בשנה לא פחות מ-20 טון של סוללות ליתיום. מכיוון שבארץ לא מטפלים במחזור סוללות אלו, הן נשלחות לקנדה צרפת ובלגיה, ושם הן עוברות טיפול פירומטלורגי (טיפול בשריפת מתכת). כאשר שורפים את סוללות הליתיום החומר האורגני (הרעיל) שבהן מתנדף ומתכת הליתיום מצויה באפר שנשאר. חלק מהאפר מתנדף באוויר וחלק מצוי בתחתית בצורה מוצקה. ייצוא של סוללות הליתיום לארצות אחרות הוא תהליך אשר עולה למדינת ישראל כסף רב, ולכן הקמת מפעלים אשר יבצעו את תהליך שרפת סוללות הליתיום היא כדאית. הקמת המפעלים הללו עולה כסף רב, אך הרווח הצפוי מייצוא של מתכת הליתיום אשר תישאר בסוף התהליך הוא כ-10,000 דולרים לטון ליתיום. מיחזור ליתיום ננו-ארכיטקטורות סוללות ליתיום-יון מדיה וקבצים בנושא סוללת ליתיום בוויקישיתוף צעירה לנצח: התגלה חומר שמונע את שחיקת הקיבולת של סוללת ליתיום תאי ליתיום, דף שער בספרייה הלאומית