אלקטרוליט במצב מוצק

אלקטרוליט במצב מוצק הוא חומר מוצק (לא נוזלי) המאפשר הולכת יונים באמצעות מבנה גבישי או פולימרי. אלקטרוליטים מסוג זה משמשים בסוללות במצב מוצק (All-Solid-State Batteries, ASSB), ונחשבים לחלופה בטוחה יותר לסוללות הליתיום–יון המסורתיות שמכילות אלקטרוליט נוזלי. בסוללות הקונבנציונליות משתמשים באלקטרוליטים נוזליים אורגניים, נדיפים, ודליקים, שעלולים לגרום לקצרים פנימיים ובעיות בטיחותיות. לעומתן, בסוללות במצב מוצק יש אלקטרוליט לא נדיף בגביש או בפולימר, מה שמעניק להן יציבות תרמית גבוהה יותר וגורם להן להיות בטיחות יותר לשימוש. השימוש באלקטרוליט מוצק מאפשר גם שימוש באנודת ליתיום מתכתית, ובכך מנצלת את הפוטנציאל האנרגטי של הליתיום – תכונה המגדילה משמעותית את צפיפות האנרגיה התאורטית של התא. ב-1972 תוארה סוללה במצב מוצק ראשונה שהשתמשה באלקטרוליט β-אלומינה, ובאותה תקופה החלו לפתח אלקטרוליטים פולימריים מבוססי פוליאתילן אוקסיד (PEO) ונתמך ליתיום. סוללות אלו הוגדרו אז כמבטיחות להגברת צפיפות האנרגיה ולהקטנת הסיכונים של סוללות עם אלקטרוליט נוזלי.

 סוגי אלקטרוליטים במצב מוצק 
ממוזער|אלקטרוליט במצב מוצק מסוג פולימרי PEO
אלקטרוליטים במצב מוצק מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות: אלקטרוליטים פולימריים, אלקטרוליטים קרמיים, כאשר הקרמיים כוללים בעיקר תחמוצות (אוקסידים), וסולפידים. אלקטרוליטים פולימריים, לרוב על בסיס PEO המעורבב עם מלחי ליתיום, הם גמישים וקלים לעיבוד, אולם סובלים ממוליכות יונית נמוכה יחסית בטמפרטורת החדר (בסדר גודל של S·cm⁻¹ 10⁻⁵), ולכן השימוש בהם מצריך לעיתים קרובות טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר כדי לשפר את הביצועים שלהם.

אלקטרוליטים קרמיים על בסיס תחמוצות, כגון גבישים ממשפחת NASICON או Li7 La3Zr2O12) LLZO) מצטיינים ביציבות גבוהה כשנחשפים לאוויר וגם בחלון אלקטרוכימי רחב. אך הם קשים לעיבוד ודורשים סינטור בלחיצה וחום כי הם שבריריים. בנוסף נבחן השימוש באלקטרוליטים הלידיים, המבוססים למשל על כלורידים או ברומידים. חומרים אלה מתאפיינים במוליכות יונית גבוהה בטמפרטורת החדר ובתכונות מכניות משפרות, אך הם עלולים להיות בלתי יציבים כאשר הם נחשפים לאוויר.

אלקטרוליטים סולפידיים, כגון Li6PS5Cl, Li10GeP2S12 או חומרים משפחת Li3PS4, נחשבים לבעלי מוליכות יונית מעולה בטמפרטורת החדר, לעיתים ברמה שדומה לזו של אלקטרוליטים נוזליים. חומרים אלה ניתנים לעיבוד בטמפרטורת החדר באמצעות דחיסת אבקה, ומאפשרים גמישות יחסית בתהליך הייצור. עם זאת, אלקטרוליטים סולפידים רגישים ללחות וחמצן; חשיפה ללחות עלולה לגרום להתפרקותם ולדליפת גזים רעילים כגון מימן גופרתי (H2S). בנוסף, במקרים מסוימים נוצרת אינטראקציה בין האלקטרוליט הסולפידי לבין האלקטרודה, העלולה להוביל להיווצרות שכבות ביניים מבודדות ולעלייה בהתנגדות הפנימית של הסוללה. לאור המגבלות הקיימות בכל אחת מהמערכות, מתקיימים מחקרים לפיתוח אלקטרוליטים היברידיים, המשלבים בין גמישותו המכנית של פולימר לבין המוליכות הגבוהה של סולפיד, במטרה לשלב את יתרונות שתי הקבוצות ולשפר את תכונות המערכת הכוללת.

 יתרונות אלקטרוליטים מוצקים על פני נוזליים 
השימוש באלקטרוליט מוצק מביא לשיפור ניכר בתכונות הסוללה. ראשית, אלקטרוליטים מוצקים אינם דליקים ואינם מתנדפים כמו מערכות נוזליות, ולכן הסוללות עמידות יותר במצבי פגיעה והתחממות קיצוניים. עובדה זו מאפשרת תכנון צפוף יותר של התאים והגדלת הנפח הזמין לאנודה ולקתודה. יתרון משמעותי נוסף הוא האפשרות להשתמש באנודת ליתיום–מתכת (Li0) בנפח מלא, תכונה שמנצלת היטב את קיבולת הליתיום ומגבירה מאוד את צפיפות האנרגיה התאורטית של התא בהשוואה לאנודת גרפיט במבנה המקובל. כמו כן, ברוב האלקטרוליטים המוצקים חלון היציבות האלקטרוכימי רחב יותר (למשל מעל 4.5–5 וולט), מה שמאפשר שימוש בקתודות עם מתח גבוה (כגון Ni-Rich או תרכובות סולפור) מבלי לפרק את האלקטרוליט במהירות.

 אתגרים בפיתוח סוללות עם אלקטרוליט במצב מוצק 
לצד היתרונות, קיימים אתגרים מהותיים בפיתוח סוללות עם אלקטרוליט במצב מוצק. ראשית, יש להתמודד עם ממשקים בין האלקטרוליט המוצק לשתי האלקטרודות: ממשקי מוצק–מוצק נוטים להתנגדות גבוהה, ומחייבים הנדסה מיוחדת כדי להבטיח מעבר יונים יעיל. בנוסף, ייצור שכבת אלקטרוליט קרמית חלקה וללא סדקים מחייב לעיתים טמפרטורות סינטור גבוהות או לחיצה בסביבה מבוקרת – תהליך שכתוצאה ממנו עובי האלקטרוליט נוטה להיות כמה מאות מיקרונים ויותר, דבר שעלול להפחית את צפיפות האנרגיה הכוללת של התא. אתגר נוסף נובע מהשבריריות של אלקטרוליטים קרמיים, לרבות סדקים מבניים וגבולות גרעין. בסוללות המבוססות על ליתיום מתכתי, אזורים אלו עלולים לשמש מסלולים מועדפים לחדירת דנדריטים, דבר שעשוי להוביל לקצר פנימי ולכשל בתא.
 הערות שוליים 

קטגוריה:כימיה