סוללות ליתיום, או סוללות ליתיום-יון כפי שמכונות לרוב, פועלות על ידי אחסון ופליטת אנרגיה דרך חלקיקים זעירים הנקראים יוני ליתיום. כשאכפת הסוללה למישהו, היונים האלה פשוט עוברים מקצה אחד של הסוללה (האנודה) לקצה השני (הקתודה). כל התהליך הזה הוא מה שעושה אותן כל כך מיוחדות בהשוואה לסוללות דורות קודמים. הן יכולות לאגור הרבה יותר אנרגיה במרחבים קטנים מבלי להכביד יותר מדי. לכן הטלפונים והמחשבים הניידים הולכים ונהיים דקים יותר, אך עדיין נמשכים זמן רב יותר בין טעינה לטעינה. צפיפות האנרגיה שלהן פשוט שוברת את השווקים בהשוואה לרוב האפשרויות הקיימות כיום.
סוללות ליתיום נמצאות כמעט בכל מקום בימינו, בחיים שלנו שמתוארים בטכנולוגיה. מקורות הכוח הללו מונעות הכול - מהמכשירים היומיומיים שלנו כמו טלפונים ולפטופים ועד לדברים גדולים יותר כגון רכבים חשמליים ואנשי איחסון סולריים. מה גורם להן להיות כל כך פופולריות? ובכן, הן קלות במשקלן אך מספקות עוצמה ראויה מבחינת אורך חיי הסוללה. בשל שילוב זה, הפכנו לתלויים בהן לא רק לצעצועים שלנו בגודל כיס אלא גם לקידום אופציות האנרגיה הירוקות שחברות רבות משקיעות בהן כרגע באופן כבד.
סוללות ליתיום פועלות על ידי יצירת חשמל באמצעות תגובות כימיות הפנימיות בהן, ובאופן בסיסי מזיזות חלקיקים זעירים של ליתיום כדי לגרום לזרם חשמלי לזרום. כשאנו משתמשים בסוללות אלו, החלקיקים של הליתיום מתחילים לנוע מאחד הצדדים (הנקרא אנודה) לצד השני (הקתודה), ועוברים דרך חומר הנקרא אלקטרוליט בדרך. במהלך תנועת החלקיקים forth ובחזרה, הן יוצרות חשמל המניע הכל, מהטלפונים החכמים ועד לרכב החשמלי. בשל היעילות הרבה בהן בשמירת והפקת חשמל, הפכו סוללות ליתיום לחשובות במיוחד ליישומים כמו פאנלים סולריים וטורבינות רוח, בהם יש חשיבות רבה למקור אנרגיה עקבי.
בעת טעינת סוללות ליתיום, מה שקורה בפועל הוא שהיונים הליתיומים חוזרים לחלק האנוד של הסוללה. כדי לעשות זאת, עלינו להפעיל מעט חשמל מבחוץ לתוך הסוללה. המתח חייב להיות גבוה מהמתח הקיים בפנים, סוג של דחיפה נגד לחץ מים. זה דוחף את היונים הקטנים חזרה לצד האנוד. זה עובד כמעט הפוך למה שקורה בעת שימוש בסוללה, מכיוון אז היונים פשוט שטים באופן טבעי לכיוון הקתודה. התנועה הקבועה הזו בין האנוד והקתודה חשובה מאוד לאופן שבו הסוללה שומרת על האנרגיה ומשחררת אותה שוב בהמשך. ללא חילוף הזה והвл, הטלפונים שלנו לא היו נמשכים זמן רב בין טעינה לטעינה. ומדברנו על יישומים בעולם האמיתי, תהליך שלם זה הופך את סוללות הליתיום למועילות במיוחד ליישומים כמו מכוניות חשמליות ואגירת אנרגיה מתחדשת ברשתות גדולות, ועוזרות לנו להתקדם לכיוון מקורות אנרגיה נקיים יותר.
ישנם מגוון סוגי סוללות ליתיום, כל אחד מהם מתאים למשימות שונות על פי הכימיקלים מהם הם מורכבים ועקרונות הפעולה שלהם. לדוגמה, סוללות Lithium Iron Phosphate (LFP). סוללות חזקות אלו הפכו לבחירה המועדפת במיזמי אכסון אנרגיה רבים, בזכות היכולת שלהן להתמודד עם חום בצורה טובה, וכן היכולת לשרוד אלפי מחזורים של טעינה. לכן, הם מוערכים מאוד בתחום האנרגיה המתחדשת כחלופה לסוללות עופרת חומציות ישנות שדורשות תחזוקה מתמדת. התקנות בפועל מראות שסוללות LFP מסוגלים לשרוד מעל 2000 מחזורים מלאים של טעינה, גם תחת תנאים של שימוש כבד. בניגוד לסוגי סוללות ליתיום אחרים, אין בעיה להוריד אותן לחלוטין ללא פגיעה משמעותית, מה שהופך אותן ליעילות במיוחד במערכות סולריות ובמערכות סוללות גיבוי, שם יש צורך בגמישות מרבית.
סוללות LMO משמשות רבות ברכב חשמלי מכיוון שהן מציעות ביצועים טובים בתנאים שונים. יתרון עיקרי הוא היציבות שלהן גם כאשר הטמפרטורות משתנות, וכן הן נחשבות לבטוחות יותר בהשוואה לרבות מהחלופות. החומר הספציפי שממצא הקתודה שלהן מאפשר להן להיטען במהירות ולתת-handle לזרמים גבוהים יותר. מעבר לרכב חשמלי, אנו רואים שסוללות אלו פועלות היטב בציוד חשמלי ידני בו חשובים פיצוצים קצרים של אנרגיה, ואף במכשירים רפואיים מסוימים שדורשים מקורות הספק מהימנים. עם זאת, חיסרון הוא שרוב סוללות ה-LMO אינן נמשכות זמן כה רב כמו חלופות אחרות. בדיקות בשטח מראות שהן נמשכות בדרך כלל כ-300 ועד אולי 700 מחזורים של טעינה לפני שהן דורשות החלפה. לייצרנים הדבר משמעו שתמיד יש לאזן בין קבלת אותם ביצועים מרשימים לבין עלויות ההחלפה בעתיד.
סוללות LCO מופיעות בכל מקום בחומרים שלנו מכיוון שהן מספקות כוח רב במרחבים קטנים. סמרטפונים, טאבלטים, ואפילו מחשבים ניידים כולם סולגים על טכנולוגיה זו בזכות יכולת האחסון האנרגטית המרשימה שלה. מה שגורם להן לעבוד כל כך טוב הוא היכולת שלהן להריץ מכשירים לאורך זמן מבלי לפגוע במרחב הפיזיים בכלל. אך יש נקודה רלוונטית שיש לציין כאן. ביטחון הופך להיות חשש גדול יותר מאחר שסוללות אלו אינן מסתגלות לחום כמו אופציות אחרות ונהוג להתיישן מהר יותר עם הזמן. בכל זאת, יצרנים מתקשים בסוללות LCO כרגע פשוט בגלל שאין דבר שמתאים לצפיפות האנרגיה שלהן כשמדברים על ספק כוח למכשירים חכמים של ימינו.
כשאנחנו משווים סוללות ליתיום מול דגמים ישנים של סוללות עופרת-חמצן, ההבדלים בולטים מאוד בכמה תחומים מרכזיים, בהם המשקל, מספר הפעמים בהן ניתן לטעון אותן, והיכולת הכוללת לאחסון הספק. חבילות הליתיום קלות בהרבה, ולכן הן פועלות טוב בציוד שאנשים נושאים איתם או מתקינים ברכב, במקום הסוללות הכבדות של עופרת-חמצן שנראות כאילו נישאות אבנים. המשקל הקל יותר פירושו יעילות טובה יותר בתנועה לאורך היום. יתרון נוסף גדול של סוללות הליתיום הוא אורך החיים שלהן לפני שהן דורשות החלפה. רוב סוללות הליתיום נותרות בתוקף בערך 2,000 מחזורים מלאים של טעינה, בעוד שסוללות עופרת-חמצן נוטות להתקלקל אחרי בערך 500 עד 1,000 טעינות, לכל היותר. וגם את הצפיפות האנרגטית לא כדאי לשכוח. הליתיום מאחסן בערך פי שניים יותר הספק ליחידת נפח בהשוואה לטכנולוגיית עופרת-חמצן. מכאן נובע למה הטלפונים והמחשבים הניידים שלנו מצליחים לפעול זמן רב יותר בין טעינה לטעינה, מבלי להתייקר או להישקל יותר עם הזמן. כל הסיבות הללו יחד מסבירות למה ליתיום הפך לאפשרות המועדפת מבחינת קיימנות ולקבלת המרבית מהטעינה.
בחינה של סוללות הידריד מתכת ניקל (NiMH) לעומת סוללות ליתיום חושפת הבדלים ברורים ביעילות, הביצועים והעלויות האופרטיביות. סוללות ליתיום פשוט עובדות טוב יותר מכיוון שהן מאחסנות יותר אנרגיה במרחב קטן ומהירות טעינה גבוהות יותר. משמעות הדבר היא פחות זמן המתנה להטענה וביצועים כלליים טובים יותר, מה שקריטי במיוחד בתחומים כמו רכבים חשמליים, בהם כל דקה נספרת. תחזוקה היא עוד תחום בו סוללות ליתיום מובילות. לסוללות אלו אין את האפקט המפריע של זיכרון חלקי כמו בסוללות NiMH, מה שמונע מהפסד בקיבולת לאחר טעינות חלקיות חוזרות. בנוסף, סוללות ליתיום נמשכות לאורך זמן רב יותר לפני שהן דורשות החלפה, ולכן למרות העלות המקדמת הגבוהה יותר, מרבית העסקים מגלים שהן זולות יותר לאורך זמן כאשר מתחשבים בכללות עלויות החזקה. עבור תחומים התלויים באנרגיה אמינה ובלי עלויות גבוהות להחלפות, סוללות ליתיום הפכו לסטנדרט הפופולרי יותר, למרות ההשקעה ההתחלתית.
שיקום סוללות ליתיום חשוב מאוד כשמטרידים את הפסולת הסביבתית שלהן. רוב תהליכי השיקום מכוונים להוצאת חומרים יקרים כמו ליתיום, קובלט וניקל מהסוללות הישנות במקום לאפשר הכול להפוך לפסולת. כל התהליך מתחיל באיסוף סוללות נדושות ממקורות כמו רכבים חשמליים ואלקטרוניקה צרכנית לפני שפורסים אותן לחתיכות. לאחר שהופרדו, המתכות היקרות נקיונות ומועברות מחדש לפסי ייצור של סוללות חדשות, מה שמסייע לבנות את מה שאנו קוראים לו מערכת כלכלית מעגלית. מעבר לחיסכון בחומרים גלם, שיקום תקין מונע מהכימיקלים המסוכנים להסתיים במזבלות, שם הם עלולים להישרף לתוך מי הקרקע או להרעיל מערכות אקולוגיות מקומיות לאורך זמן.
קיימות השלכות סביבתיות משמעותיות בכריית ליתיום, במיוחד כשמדובר בהפחתת הנזק לסביבה. תהליך הפקת הליתיום, שמונע ממנו מספר גדול של סוללות מודרניות, נוטה לגרום לבעיות אקולוגיות חמורות. אנו מדברים על אובדן מקומות גידול וחוסר זמינות של מקורות מים באזורים שבהם מתבצעת כרייה. אך יש גם חדשות טובות. חברות מתחילות לבחון דרכים נקיות יותר להוציא ליתיום מהאדמה. חלק מהן חוקקות טכניקות להפקה ממי מלח, בעוד שאחרות מרכזות בשיפור שיטות הכרייה המסורתיות. שיטות חדשות אלו מטרות להפחית את הנזק לסביבה ולהשתמש בצורה טובה יותר במשאבים. האתגר נותר במציאת דרכים לענות על הביקוש הגובר לליתיום מבלי לפגוע בסביבה המקומית. וככל שטכנולוגיות הסוללות מתקדמות, שיפורים מתמשכים הן בפעולה בכרייה והן בתוכניות 재ציקל ימשיכו להיות חשובים אם נרצה להמשיך להשתמש בסוללות ליתיום באופן בר קיימא.
בטיחות נותרת דאגה מרכזית כשמפעילים סוללות ליתיום במערכות אנרגיה מתחדשת. מניעת בעיות חום מוגזם והפרצות תרמיות מסוכנות הופכות להיות חשובות אף יותר במתקנים בקנה מידה גדול שבהם בעיות יכולות להשתלט במהירות. התעשייה אימצה מספר גישות כדי לשמור על שליטה. מערכות קירור חייבות להותקן כראוי, בעוד מערכות ניהול סוללות מתקדמות (BMS) עוזרות למנוע כשלים תרמיים פוטנציאליים לפני שהם מתרחשים. עניין נוסף הוא ודואת הפרדה חשמלית בין כל תא לתא, וכן פיקוח הדוק על רמות החום במהלך הפעלה ועל מה שקורה במהלך מחזורי טעינה. מחקר מצביע על כך שבערך חמישית מכל כשלונות הסוללות נובעת מנהול תרמי לקוי, מה שמסביר למה כל כך הרבה חברות משקיעות רבות באמצעים מגנים מסוג זה למערכות איחסון האנרגיה שלהן.
התחלתי נכון עם סוללות ליתיום מתחילה בכך שעוקבים אחרי נהלים תקינים לטיפול בהן. רוב היצרנים מדגישים את החשיבות של מטענים מאושרים ושומרים על מתח הספק המצוין כדי למנוע מצבים מסוכנים. גם אחסון הוא חשוב – קבוצות לבטחה מציינות לרוב שכדאי לשמור אותן במקום קר ויבש, הרחק מנקודות חמות או מקומות שבהן הן עלולות להישאר בירייה ישירה של השמש. חברות צריכות להשקיע זמן בקביעת תהליכי הדרכה לעובדים על מנת לטפל בכוח הזה נכון. בדיקות תקופתיות ושגרות תחזוקה תורמות רבות לצמצום סיכונים פוטנציאליים. עבור התקנות אנרגיה מתחדשת שתלויות רבות בטכנולוגיית ליתיום, ידיעת היסודות הללו אינה רק פעולה טובה – היא כמעט חובה אם אנו רוצים שפתרונות האנרגיה הירוקה שלנו יחזקו לאורך זמן.
העתיד נראה מואר עבור טכנולוגיית סוללות ליתיום, שכן חוקרים עובדים במרץ על מנת לפתח אפשרויות אחסון אנרגיה טובות וברות-aylor. התחומים המרכזיים בהם מדענים מתקדמים כוללים העלאת כמות האנרגיה שאפשר לאגור בסוללות, האצת תהליך הטעינה ומילוי, והארכה של תקופת חיי הסוללה. dzięki לשדרוגים אלו, אנו עדים לסוללות בעלות ביצועים מוגזמים יותר, תוך לקיחת זמן קצר יותר לטעינה ועם אורך חיים ארוך יותר בין תחלופות - משהו שמשפיע רבות על תחומים כמו רכבת חשמלית (EV) ואחסון חשמל הנוצר מפאנלים סולריים או טורבינות רוח. לאחרונה נרשמה התקדמות משמעותית, כאשר נדחתה הקיבולת האנרגטית בכ-15 אחוזים, לצד הקלה בזמני הה המתנה הארוכים בטעינה. שיפורים מסוג זה תורמים לצמצום עלויות בתחומים רבים - מתחבורה ועד תעשייה - כאשר חברות מחפשות דרכים להפחית את פלט углерן מבלי להתפשר על הביצועים.
סולל הליום סטטי נראה מצוין לטווח הרחוק מכיוון שהוא יכול לאגור יותר אנרגיה במרחב קטן בהשוואה למה שיש היום, והוא גם בטוח בהרבה יותר. במקום האלקטרוליטים הנוזליים הפתיתיים, הסוללות החדשות משתמשות באלקטרוליטים מוצקים, מה שאומר שאין סכנה לדליפות או שריפות כשמשהו משתבש. מה שעושה את הטכנולוגיה הזו כל כך מרגשת זה לא רק העובדה שהיא בטוחה יותר, אלא גם שהיא שומרת אנרגיה בצורה צפופה יותר. לכן, יצרני רכב וחברות אלקטרוניקה מביטים בזה מקרוב. תחום המחקר מתקדם במהירות, ובתוך מספר שנים סוללות סטטיות עשויות להגיע לכיסים שלנו ולמכוניות שלנו במחיר שכולם יוכלו להרשות. אנחנו מדברים על משהו שיכול לשנות את הדרך בה אנחנו מזינים אנרגיה מטלפונים חכמים ועד רכבים חשמליים, עם ביצועים טובים יותר ובלי הסיכונים הקיימים היום בטכנולוגיית הסוללות.
