אינטרקלציה

אינטרקלציה היא תהליך הפיך בה יון (או מולקולה) חודר לתוך מבנה שכבתי של חומר בעל מבנה שכבתי. דוגמאות לכך ניתן לראות בגרפיט ובקומפלקסים מסוימים של מתכות מעבר.
ממוזער|איור 1- מודל אינטרקלציה של אטומי אשלגן לתוך שכבות גרפיט

 דוגמאות 
 גרפיט 
אחת הדוגמאות הקלאסיות לתהליך אינטרקלציה ניתן למצוא במערכת של גרפיט (סריג "מארח") ואשלגן (יון "מתארח"). במהלך האינטרקלציה מתרחשת התרחקות של שכבות הגרפיט הקשורים בקשרי ואן דר ואלס, דבר הדורש השקעת אנרגיה.

בדרך-כלל, האנרגיה הדרושה להרחקת שכבות הגרפיט זו מזו מסופקת על ידי מעבר מטען בין הסריג המארח ליון המתארח (לדוגמה, על ידי תהליך חמצון חיזור). שתי תרכובות של אשלגן- גרפיט, בהן האשלגן עובר אינטרקלציה לגרפיט הן KC8 ו-KC24. לעומת זאת, ישנן תרכובות של פחמן פלואריד (לדוגמה (CF)x ו-C4F) הנוצרות מתגובה של פלואור עם גרפיט (התרכובות הללו יכולות להיות בכמה צבעים שונים: אפורים, לבנים או צהובים). בתרכובת האלו הקשר בין הגרפיט לפלואריד הוא קוולנטי ולכן לא ניתן להגיד שיוני הפלואריד עוברים אינטרקלציה לתוך הגרפיט. חומרים מסוג זה הם מועמדים לשימוש כקתודות במגוון סוללות ליתיום.

 סוללות ליתיום-יון 
ממוזער|איור 2- דיאגרמת אינטרקלציה של יוני ליתיום לתוך קתודת טיטניום דו גופריתי. שכבות הטיטניום דו גופריתי מתנפחות בציר אחד, כאשר מטען עובר מיוני הליתיום לאטומי הטיטניום
אחד השימושים הגדולים והמגוונים ביותר של תהליך האינטרקלציה הוא באחסון אנרגיה אלקטרוכימית בסוללות ליתיום-יון. סוללות ליתיום-יון משמשות במכשירים סלולריים חכמים, מכשירי ניידות (כסאות גלגלים לדוגמה), כלי רכב חשמליים ותחנות אחסון אנרגיה חשמליות בהן יש שימוש בסוללות בקנה מידה גדול.

עד 2023, בכל תאי הליתיום-יון המסחריים היה שימוש בתרכובות אינטרקלציה כחומרים פעילים, ורובם עשו בהם שימוש הן בקתודה והן באנודה.

בשנת 2012 שלושה חוקרים גודאינף, יזמי ויושינו, קיבלו את מדליית IEEE לשנת 2012 עבור טכנולוגיות סביבה ובטיחות על פיתוח סוללת הליתיום-יון המשולבת ולאחר מכן זכו גודאינף, ויטינגהם ויושינו בפרס נובל לכימיה לשנת 2019 "על פיתוח סוללות ליתיום-יון".

 אנודות אינטרקליציה 
החומרים מהם מורכבות אלקטרודות האנודה בסוללות ליתיום-יון לרוב מורכבים לרוב מגרפיט - פחמן פורוזיבי (נקבובי) הבנוי במבנה הקסגונלי שכבתי. אטומי הפחמן במבנה ההקסגונלי מצויים במרחק של 1.42Å ואילו המרחק בין השכבות הוא 3.42Å. יוני הליתיום אשר להם רדיוס של 0.76Å מגיעים בעת הטעינה לכיוון האנודה, ומבצעים חדירה בין שכבות הגרפיט ומתפזרים בין אטומי הפחמן עד לקיבול מקסימלי של אטום ליתיום לכל שישה פחמנים כך שמתקבל היחס LiC6. הרדיוס הקטן של יוני הליתיום הוא שמאפשר להם לחדור ביעילות בין שכבות הגרפיט.

התגובה המתרחשת באנודה:

C + x(Li^+) + xe^- -> CLix

חומרים מבוססי פחמן משמשים ליצירת אנודות הן בגלל ההולכה החשמלית הטובה והן בזכות הקיבול הגבוה שהן מספקים (350-370mAh/g). ננו-צינוריות פחמן (CNTs) וגרפן נחקרים גם כן כחומרים עבור אנודות אינטרקלציה מתקדמות. CNTs מאפשרים קיבול תאורטי גבוה עקב אינטרקלציה של ליתיום על פני השטח ולתוך אתרים פנימיים, ולגרפן תכונות הולכה חשמלית מעולות.

 קתודות אינטרקלציה 
חומרים רבים המשמשים לבניית קתודות לסוללות ליתיום-יון פועלים במנגנון אינטרקלציה. חומרים נפוצים המשמשים כקתודות אינטרקלציה הם תחמוצת ליתיום קובלט (LCO), תחמוצת ליתיום מנגן (LMO), תחמוצת ניקל קובלט מנגן (NCM), תחמוצת אלומיניום ניקל קובלט (NCA), פוספט ליתיום ברזל (LFP) וליתיום טיטניום גופרתי (LTS).

חומרים אלה יכולים להיות בעלי מבנים גבישיים שונים, כגון מבנה שכבות, ספינל, אוליבין וטבוריט, אשר מקלים על האינטרקלציה של יוני Li+. מבני שכבות היו בין התרכובות המוקדמות שנחקרו עבור קתודות.

מבני אוליבין, כמו LFP, הם גם קתודות אינטרקלציה, אם כי הפוטנציאל הממוצע הנמוך שלהם יכול להגביל את צפיפות האנרגיה של תאים.
 מאמץ הנגרם מאינטרקלציה 
אינטרקלציה של אטומים לתוך חומרים שכבתיים גורמת לשינויים בנפח וחוסר התאמה בסריג הגבישי. שינויים אלה יוצרים מאמצי מתיחה ודחיסה מקומיים. גודל המאמצים הללו תלוי בגורמים כגון גודל המינים המשתלבים והמבנה הקריסטלוגרפי של החומר המארח. במערכות אלקטרוכימיות, כמו סוללות ליתיום-יון, תנאי ההפעלה - ובמיוחד קצב הטעינה/פריקה והטמפרטורה - משפיעים גם הם על רמות המאמץ.

 השפעות במהלך פעולת סוללה 
במהלך מחזורים אלקטרוכימים- טעינה ופריקה חוזרות ונשנות של סוללה - יונים עוברים תהליכי אינטרקלציה באלקטרודות, מה שגורם להתפשטות והתכווצות של המבנה השכבתי של האלקטרודה. תנודות נפחיות אלו יוצרות מאמצים מקומיים שיכולים להשתנות בין מחזורים, מה שמוביל להצטברות של מאמץ על האלקטרודה. עם הזמן, הצטברות זו עלולה לגרום לעייפות מכנית ולהיווצרות סדקים קטנים, במיוחד באזורים על האלקטרודה בהם יש הצטברות מאמץ.

שחיקה מכנית מסוג זה תורמת לאובדן הקיבולת של האלקטרודות בכמה מנגנונים:
 אובדן הקישוריות החשמלית בתוך החומר הפעיל
 היווצרות מוגברת של אינטרפאזה מוצקה-אלקטרוליטית (SEI), הצורכת אלקטרוליט וליתיום פעיל
 רגישות מוגברת לסדיקה נוספת ולגדילת ליתיום דנדריטי

יחד, גורמים אלו גורמים להידרדרות הדרגתית של ביצועי הסוללה, עד למצב של כשל.

 השלכות על עיצוב הסוללה 
כדי להפחית את המאמץ הנגרם על ידי אינטרקלציה, חומרי האלקטרודה נבחרים על סמך התאימות המבנית שלהם ליון האינטרקלציה - לרוב ליתיום. אלקטרודות ליתיום-יון מסחריות, כגון LiCoO2 או LiFePO4, נבחרות בין היתר בשל המאמץ הנמוך יחסית שהן חוות בתהליכי אינטרקלציה ויציבותן המבנית, התורמים לחיי מחזור חיים ארוכים יותר.

עם העניין הגובר בסוללות מצב מוצק, צצים אתגרים חדשים. אלקטרוליטים מוצקים, בניגוד לאלקטרוליטים נוזליים, יכולים גם הם לצבור מאמץ מכני כאשר יונים נודדים דרכם. השינויים הנפחיים הן באלקטרודה והן באלקטרוליט המוצק יכולים להוביל למגע פנים-שטח לקוי, להפריע למעבר יונים ולגרום לדה-למינציה בגבולות הפאזה.

 כיווני מחקר עתידיים 
ככל שמערכות אחסון אנרגיה מתפתחות כדי לעמוד בדרישות הגוברות לצפיפות אנרגיה גבוהה יותר, בטיחות משופרת וחיי פעולה ארוכים יותר, ניהול מאמצים הנגרמים על ידי אינטרקלציה נותר שיקול קריטי בתכנון סוללות ובבחירת חומרים. ההשפעות המכניות של אינטרקלציה של יונים, במיוחד התפשטות נפח והצטברות מאמצים הנובעת מכך, הן מרכזיות למנגנוני הפירוק הנצפים בחומרי אלקטרודה רבים.

כיוון מחקר אחד עוסק בתכנון של ארכיטקטורות אלקטרודות מתקדמות שיכולות להכיל טוב יותר את המאמצים המכניים הללו. חומרים ננו-מובנים, כולל חלקיקים חלולים, מסגרות נקבוביות ומורפולוגיות ליבה-קליפה, נחקרים כדי לחסום שינויים נפחיים ולחלק עומסים מכניים בצורה אחידה יותר במהלך מחזורי המחזור. חומרים קושרים פולימריים גמישים ורשתות מוליכות המסוגלות לריפוי עצמי או דפורמציה פלסטית מציעים פוטנציאל נוסף להפחתת נזק הנגרם ממאמץ.

בסוללות מצב מוצק, הבעיה בולטת אף יותר עקב קשיחותם של אלקטרוליטים מוצקים אנאורגניים. בניגוד לאלקטרוליטים נוזליים, שיכולים להתאים את עצמם לשינויים מורפולוגיים, אלקטרוליטים מוצקים רגישים יותר לסדקים, היווצרות חללים והתפרקות בממשקים במהלך המחזור האלקטרוכימי. כשלים מכניים אלה עלולים לעכב את הובלת היונים ולהוביל לכשל בסוללה. אסטרטגיות להפחתת מאמצים במערכות מצב מוצק כוללות שימוש בשכבות ביניים גמישות, הנדסת ממשק וחומרים אלקטרוליטים עם קשיחות מכנית משופרת.

התקדמות אחרונה בטכניקות אפיון - כגון דיפרקציית קרני רנטגן, מיקרוסקופיה אלקטרונית וננו-אינדנטציה - מאפשרות לחוקרים לנטר התפתחות מאמצים ושינויים מבניים בזמן אמת במהלך מחזורי סוללה. שיטות אלו, יחד עם מידול רב-ממדי, מאפשרות תכנון ניבויי יותר של חומרים בעלי חוסן מכני משופר.

ככל שמערכות סוללות נפרסות ביישומים תובעניים יותר ויותר - החל מכלי רכב חשמליים ועד לאגירת אנרגיה ברשת ואלקטרוניקה לבישה - היציבות המכנית של אלקטרודות ואלקטרוליטים תחת מאמץ מכני בתהליכי אינטרקלציה תישאר גורם מפתח לביצועים ולאורך חיים. טכנולוגיות סוללות עתידיות עשויות להפיק תועלת לא רק ממזעור מאמץ אינטרקלציה, אלא גם מתכנון אסטרטגי של חומרים ומבנים שיכולים לעמוד או אפילו לנצל שינויים מכניים במהלך הפעולה.

 פירושים נוספים 
בביוכימיה, אינטרקלציה היא החדרת מולקולות בין בסיסי ה-DNA. תהליך זה משמש כשיטה לניתוח DNA והוא גם הבסיס לסוגים מסוימים של הרעלה.

קלתראטים הם חומרים כימיים שבהם מולקולת אורח נלכדת בתוך כלוב תלת-ממדי שנוצר ממולקולות המארח או מסריג גבישי. לרוב מדובר בתרכובות פולימריות המקיפות את מולקולת האורח מכל הכיוונים. לפי הגדרת IUPAC, קלתראטים הם: "תרכובות הכללה שבהן מולקולת האורח נמצאת בכלוב שנוצר על ידי מולקולת המארח או על ידי סריג של מולקולות מארח." לעומת זאת, באינטרקלציה, החדירה של המולקולה או היון נעשית בין שכבות מישוריות במבנה דו־ממדי, כמו במבנה של גרפיט. לכן, תרכובות אינטרקלציה אינן תלת־ממדיות, והן שונות במהותן מתרכובות קלתראט.

 לקריאה נוספת 
 אינטראקציות פאי ארומטיות

 הערות שוליים 

קטגוריה:כימיה סופרא מולקולרית