סוללת ליתיום–אוויר

סוללת ליתיום-אוויר (Li–air) היא סוללה אלקטרוכימית מסוג מתכת–אוויר, בה אנודת הליתיום עוברת תגובת חמצון, והקתודה מבוססת על חמצן מהאוויר שעובר תגובת חיזור. תהליך זה מייצר זרם חשמלי בתווך אלקטרוליטי המאפשר את מעבר יוני הליתיום.

לסוללות ליתיום-אוויר צפיפות אנרגיה סגולית תאורטית גבוהה במיוחד, שעשויה להגיע לכ־40.1 מגה־ג'ול לקילוגרם (ללא התחשבות במשקל החמצן), ערך הקרוב לזה של בנזין (כ־46.8 מגה־ג'ול לקילוגרם). בפועל, נחקרו סוללות בעלות צפיפות אנרגיה של כ־6.12 מגה־ג'ול לק"ג ליתיום ברמת התא השלם – פי חמישה מסוללות ליתיום-יון מסחריות. צפיפות אנרגיה זו מאפשרת, תאורטית, הפעלה של רכב חשמלי במשקל 2,000 ק"ג למרחק של כ־500 ק"מ בטעינה אחת, תוך שימוש בכ־60 ק"ג ליתיום (כלומר, כ־20.4 קוט"ש ל־100 ק"מ).

 עיצוב ואופן הפעולה 
סוללת ליתיום-אוויר סוגרת מעגל חשמלי על ידי העברת יוני ליתיום בין האנודה והקתודה, בעוד אלקטרונים נעים דרך מעגל חיצוני שמחבר בין האנודה לקתודה. במהלך הפריקה, האלקטרונים נעים דרך המעגל החיצוני ומבצעים עבודה חשמלית, בעוד שיוני הליתיום נודדים אל הקתודה. בזמן הטעינה, ליתיום מתכתי שוקע על האנודה, וחמצן (O₂) משתחרר מהקתודה.
ממוזער|סכמה המתארת את תהליך הפריקה והטעינה של בטרית ליתיום-אוויר.
קיימות גרסאות שונות לסוללות ליתיום–חמצן: סוללות לא-מימיות, שבהן תוצרי הפריקה הם ליתיום פראוקסיד (Li₂O₂) או ליתיום סופראוקסיד (LiO₂), וכן סוללות מימיות, שבהן תוצר הפריקה הוא הידרוקסיד ליתיום (LiOH). במקרה של סוללה מימית, יש צורך בשכבת מגן מיוחדת על האלקטרודה השלילית כדי למנוע תגובה ישירה בין הליתיום המתכתי לבין המים – תגובה אשר עלולה לפגוע ביציבות ובתפקוד הסוללה.

 אנודה 
האנודה הנפוצה בסוללות ליתיום–אוויר עשויה מליתיום מתכתי, אשר עובר חמצון ומשחרר אלקטרונים:

Li <=> Li+ + e-

ליתיום מצטיין בקיבול סגולי גבוה (3,840 mAh/g), אך מגיב בקלות עם האלקטרוליט, דבר העלול להוביל להיווצרות דנדריטים ולפגוע בבטיחות הסוללה לשם כך נחקרות גישות שונות לייצוב ממשק האנודה–אלקטרוליט, ובהן שימוש באלקטרוליטים פולימריים או חומרים קרמיים מוליכי יונים. לדוגמה, שכבות הגנה כמו Li₃P או Li₃N מסייעות במניעת קצרים ודעיכת ביצועים.

 קתודה 
במהלך פריקת הסוללה, החמצן שבקתודה עובר חיזור ומגיב עם יוני ליתיום. תשתית הקתודה עשויה לרוב מפחמן מזופורי (בעל נקבוביות בינוניות), בשילוב זרזים מתכתיים כמו מנגן, קובלט, רותניום, פלטינה או כסף. זרזים אלו משפרים את קצב התגובות ומעלים את הקיבול הסגולי של הקתודה.

המבנה הנקבובי של הקתודה משפיע באופן מהותי על ביצועי הסוללה – חסימת הנקבוביות בתוצרי פריקה בלתי הפיכים כגון ליתיום פראוקסיד (Li₂O₂) פוגעת ביעילות הפריקה ויוצרת צוואר בקבוק תפקודי.

 אלקטרוליט 
ממוזער|סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט אפורטי.המאמצים בתחום סוללות ליתיום–אוויר התמקדו בארבעה סוגים של אלקטרוליטים: מימיים חומציים, מימיים בסיסיים, לא-מימיים פרוטיים, ולא-פרוטיים (aprotic).
 אלקטרוליט מימי 
סוללה מימית מורכבת מאנודה מליתיום מתכתי, אלקטרוליט מימי וקתודה מפחמן נקבובי. המלחים המומסים באלקטרוליט מונעים הצטברות תוצרי פריקה מוצקים, ומאפשרים מתח פריקה גבוה יותר. עם זאת, נדרשת שכבת הגנה מוצקה בין אנודת הליתיום למים עקב תגובתו האגרסיבית של ליתיום מתכתי עם מים. שכבות אלו מבוססות לרוב על זכוכית או קרמיקה מוליכות, בעלות מוליכות נמוכה יחסית (≈10⁻³ S/cm בטמפרטורת החדר).

 אלקטרוליט אפרוטי 
בגרסה הא-פרוטית, נעשה שימוש באלקטרוליטים אורגניים (כגון קרבונטים או אתרים) ובאנודה מליתיום מתכתי הקתודה מבוססת על פחמן נקבובי עם זרזים ננומטריים. תוצר הפריקה העיקרי הוא, Li₂O₂ אשר שוקע ואינו מסיס, מה שמוביל לחסימת נקבוביות וירידה בתפקוד. בנוסף, תוצרי לוואי כגון Li₂CO₃ נוצרים במתחים גבוהים, וגורמים לאובדן קיבול. זרזים מבוססי זהב או פלטינה מסייעים בשיפור תגובות החמצון והחיזור.
 אלקטרוליט היברידי (מימי-אפרוטי) 
ממוזער|סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט היברידי.|ימין|249x249 פיקסלים
עיצוב היברידי משלב בין אלקטרוליט מימי בצד הקתודה לאלקטרוליט לא-מימי בצד האנודה, תוך הפרדה באמצעות ממברנה קרמית מוליכת ליתיום. חומרים ממשפחת NASICON נבדקו לשם כך, אך מוליכותם הנמוכה ומגבלות יציבות כימית מציבות אתגר תעשייתי. ממברנות מבוססות סיליקון גבישי או פולימרים והשיג נצילות של 93% ומעל 2,000 מחזורי טעינה–פריקה, אך דרש שימוש בחמצן טהור.
 אלקטרוליט מצב מוצק 
ממוזער|סכמה של בטריית ליתיום אוויר עם אלקטרוליט מוצק|274x274 פיקסלים
בסוללות מצב מוצק, כל רכיבי התא – כולל האלקטרוליט – הם מוצקים. החומרים מבוססים לרוב על זכוכית או קרמיקה, עם תרכובות פולימריות מרוכבות לשיפור מוליכות והדבקה בין השכבות. היתרון המרכזי הוא בטיחות גבוהה, אך מוליכות יוני הליתיום עדיין נמוכה ביחס לאלקטרוליטים נוזליים, מה שמגביל את הביצועים בתנאים של זרמים גבוהים.
 ראו גם 
 סוללת מתכת-אוויר
 סוללת אלומיניום-אוויר

 לקריאה נוספת 
 Balaish, Moran; Kraytsberg, Alexander; Ein-Eli, Yair (2014). "A critical review on lithium–air battery electrolytes". Physical Chemistry Chemical Physics. 16 (7): 2801. doi:10.1039/C3CP54165G. 

 הערות שוליים 

קטגוריה:סוללות
קטגוריה:ליתיום