הסיבות לכך שלא ניתן להטעין סוללות ליתיום-יון במהירות

עבור רכבים חשמליים טהורים של סוללת ליתיום-יון, קושי הטעינה הוא עדיין בעיה גדולה, כך ש"טעינה מהירה" הפכה לגימיק עבור יצרנים רבים. לדעתי האישית, יש לנתח את בעיית הטעינה המהירה של סוללות הליתיום משתי רמות.

מנקודת המבט של תא הסוללה, ביצועי הקצב של סוללות ליתיום-יון מוגבלים על ידי מאפייני ההעברה הפנימיים של מערכת שילוב החומרים החיוביים של אלקטרודה/אלקטרוליט/אלקטרודה שלילית, ומצד שני, תהליך האלקטרודה ותכנון מבנה התא גם יש השפעה משמעותית על ביצועי התעריפים.
עם זאת, מבחינת ההולכה וההובלה המהותית ביותר של הנשא, סוללות ליתיום אינן מתאימות לטעינה מהירה. ההולכה וההובלה הפנימית של הנשא של מערכת סוללת ליתיום תלויה במספר גורמים עיקריים, כולל המוליכות של חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים, מקדם הדיפוזיה של יוני ליתיום ומוליכות האלקטרוליט האורגני. בהתבסס על מנגנון התגובה המוטבע, מקדם הדיפוזיה של יוני ליתיום בחומרי אלקטרודה חיוביים (אוליבין בתעלות יונים חד מימדיות, חומרים שכבות בתעלות דו מימדיות וחומרי אלקטרודה חיובית ספינל בתעלות תלת מימדיות) ואלקטרודה שלילית גרפיט שלילי חומרי אלקטרודה (מבנים שכבות) בדרך כלל נמוכים במספר סדרי גודל מקובוע הקצב של תגובות חיזור הטרוגניות במשני מימי סוללות.

 

 

יתרה מכך, מוליכות היונים של אלקטרוליטים אורגניים נמוכה בשני סדרי גודל מזו של אלקטרוליטים מימיים של סוללה משנית (חומצות חזקות או בסיסים). למשטח האלקטרודה השלילי של סוללות ליתיום יש שכבה של סרט SEI, ולמעשה, ביצועי הקצב של סוללות ליתיום נשלטים במידה רבה על ידי דיפוזיה של יוני ליתיום בסרט SEI. בשל הקיטוב החמור הרבה יותר של אלקטרודות אבקה באלקטרוליטים אורגניים בהשוואה למערכות מימיות, משטח האלקטרודה השלילי נוטה למשקעי ליתיום בתנאי הגדלה גבוהה או טמפרטורה נמוכה, מה שמציב סכנות בטיחותיות חמורות.
בנוסף, בתנאי טעינה בקצב גבוה, הסריג של חומר האלקטרודה החיובית נוטה להיפגע, ושכבת הגרפיט של האלקטרודה השלילית עלולה להיפגע גם כן. גורמים אלה יאיץ את דעיכת הקיבולת, ובכך ישפיעו ברצינות על חיי השירות של סוללות חשמל. לכן, המאפיינים החיוניים של תגובות משובצות קובעים שסוללות ליתיום-יון אינן מתאימות לטעינה בקצב גבוה. תוצאות המחקר אישרו כי חיי המחזור של סוללות בודדות במצב טעינה מהירה ופריקה מהירה יקטן באופן משמעותי, וביצועי הסוללה ידרדרו משמעותית בשלבי השימוש המאוחרים יותר.

כמובן, חלק מהקוראים עשויים לשאול, האם ניתן לטעון ולפרוק סוללות ליתיום טיטנאט בקצבים גבוהים?
ניתן להסביר את ביצועי הקצב של ליתיום טיטנאט על ידי מבנה הגביש שלו ומקדם דיפוזיה של יונים. עם זאת, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום טיטנאט נמוכה מאוד, וצריכת החשמל שלהן מושגת על ידי הקרבת צפיפות האנרגיה, מה שמוביל לעלות אנרגיה גבוהה ליחידה של סוללות ליתיום טיטנאט. העלות-תועלת הנמוכה קובעת שסוללות ליתיום טיטנאט אינן יכולות להפוך לזרם המרכזי של פיתוח סוללות ליתיום. למעשה, מגמת המכירות האטית של סוללות Toshiba SCiB ביפן בשנים האחרונות כבר הראתה את הבעיה.
ברמת התא, ניתן לשפר את ביצועי הקצב מנקודת המבט של תהליך האלקטרודה ותכנון מבנה התא, כגון הפיכת האלקטרודות לדקות יותר או הגדלת שיעור החומרים המוליכים, שהם אמצעים טכניים נפוץ. גרוע מכך, חלק מהיצרנים נקטו בשיטות קיצוניות כמו הסרת תרמיסטורים מתאי הסוללה ועיבוי קולט הזרם. למעשה, חברות רבות של סוללות חשמל מקומיות מתייחסות לנתוני הקצב הגבוה של סוללת כוח LFP שלהן ב-30C או אפילו 50C כגולת כותרת טכנולוגית.
מה שהכותב רוצה לציין כאן הוא שכשיטת בדיקה, זה מובן, אבל המפתח הוא אילו שינויים התרחשו בתוך תא הסוללה. טעינה ופריקה בהגדלה גבוהה לטווח ארוך עלולים לפגוע במבנה של חומרי האלקטרודה החיובית והשלילית, וליתיום כבר ירד מהאלקטרודה השלילית. בעיות אלו מחייבות שימוש בכמה שיטות זיהוי במקום (כגון SEM, XRD ודיפרקציה נויטרונים) כדי להבהיר. למרבה הצער, אין כמעט דיווחים על היישום של שיטות זיהוי באתר זה בחברות סוללות מקומיות.
המחבר גם מזכיר לקוראים לשים לב להבדל בין תהליכי הטעינה והפריקה של סוללות ליתיום-יון. בניגוד לתהליך הטעינה, סוללות ליתיום-יון אינן גורמות נזק חמור לסוללה בעת פריקה בקצב גבוה יותר (בביצוע עבודה חיצונית) כמו טעינה מהירה, הדומה לסוללות משניות אחרות על בסיס מים. עם זאת, לשימוש מעשי בכלי רכב חשמליים, הדרישה לטעינה בקצב גבוה (טעינה מהירה) היא ללא ספק דחופה יותר מפריקת זרם גבוהה.

ברמת ערכת הסוללות, המצב יהפוך למורכב יותר. במהלך תהליך הטעינה, מתח הטעינה והזרם של סוללות בודדות שונות אינם עקביים, מה שיגרום בהכרח לזמן הטעינה של סוללת החשמל לחרוג מזה של הסוללה הבודדת. המשמעות היא שלמרות שטכנולוגיית הטעינה הקונבנציונלית יכולה גם להטעין סוללה בודדת למחצית הקיבולת שלה תוך 30 דקות, ערכת הסוללות בהחלט תחרוג מהזמן הזה, מה שאומר שבמידה מסוימת היתרונות של טכנולוגיית הטעינה המהירה אינם ברורים במיוחד.
בנוסף, במהלך השימוש (הפריקה) בסוללות ליתיום-יון, צריכת הקיבולת שלהן אינה קשורה באופן ליניארי לזמן הפריקה, אלא יורדת במהירות עם הזמן. לדוגמה, אם למכונית חשמלית מסוימת יש טווח נסיעה בטעינה מלאה של 200 ק"מ, אז לאחר שהיא נסעה 100 ק"מ כרגיל, ייתכן שסוללת החשמל עדיין תחזיק ב-80% מהקיבולת שלה. כאשר קיבולת הסוללה נשארת ב-50%, ייתכן שהמכונית החשמלית תוכל לנסוע רק 50 קילומטרים.
המאפיין של סוללות ליתיום-יון אומר לנו שטעינת רק חצי או 80% מהסוללה אינה מספיקה לחלוטין כדי לענות על צורכי השימוש בפועל של כלי רכב חשמליים. לדוגמה, טכנולוגיית הטעינה המהירה של טסלה, המקודמת באופן נרחב, לדעתי, היא למעשה גימיק ולא מעשי. יתרה מכך, טעינה מהירה תדרדר משמעותית את תוחלת החיים והביצועים של הסוללה ותביא לסכנות בטיחותיות.
מכיוון שסוללות ליתיום אינן מתאימות מטבען לטעינה מהירה, תיאורטית, מצב החלפת הסוללה יכול לפצות על החסרונות שלהן בטעינה מהירה. למרות שתכנון סוללת החשמל כסוג פלאג-אין יכול להביא לבעיות חוזק מבני ובעיות בידוד חשמלי לכל הרכב, כמו גם אתגרי סופר של תקני סוללה ותירוצים, אני אישית מאמין שמצב זה הוא פתרון אפשרי מבחינה טכנית (רק ברמה הטכנית) כדי לפתור את בעיית הטעינה המהירה של סוללות ליתיום-יון.
לדעת המחבר, הסיבה לכך של"השכרת סוללה+החלפת סוללה" אין תקדים מוצלח בקנה מידה עולמי, לא נובעת רק מהרגלי הצריכה (בעלי רכב מאמינים שסוללות, כמו מכוניות, הן רכושם הפרטי), אלא גם בשל חלוקת ההטבות העצומה המסתתרת מאחורי תקנים טכניים. במדינות מערביות בעלות אוריינטציה גבוהה של שוק, הקושי לפתור בעיה זו גדול בהרבה מאשר בסין. לדעתי האישית, מצב החלפת הסוללה עשוי להיות בעל פוטנציאל התפתחות משמעותי בתחומים בהם משתמשים בעתיד בעיקר בסין ברכבים חשמליים טהורים, כמו אוטובוסים ומוניות.