סוללות – מדריך למתחילים

רוני נאק

כימיה של סוללות היא המדע מאחורי האופן שבו סוללות מייצרות ואוגרות אנרגיה חשמלית. סוללות חיוניות בחיי היומיום שלנו, מהפעלת הסמארטפונים והמחשבים הניידים שלנו ועד אספקת אנרגיה לכלי רכב חשמליים ואחסון אנרגיה מתחדשת ממקורות כמו פאנלים סולאריים וטורבינות רוח. הרעיון הבסיסי של כימיה של סוללות סובב סביב הפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית (ולהיפך).

להלן הסבר מפושט כיצד עובדת כימיה של סוללות:

סוללה מורכבת משלושה מרכיבים בסיסיים:

א.  אנודה: זוהי האלקטרודה השלילית של הסוללה. זה המקום שבו מתרחש חמצון (אובדן אלקטרונים) במהלך פריקה.

ב.  קתודה: זוהי האלקטרודה החיובית של הסוללה. זה המקום שבו מתרחשת הפחתה (רווח של אלקטרונים) במהלך פריקה.

ג.  אלקטרוליט: האלקטרוליט הוא החומר המפריד בין האנודה לקתודה ומאפשר ליונים לנוע ביניהם. זה בדרך כלל נוזל או ג'ל המכילים יונים הנחוצים לתגובות הכימיות.

תגובות כימיות:

התגובות הכימיות המתרחשות באנודה ובקתודה הן שיוצרות אנרגיה חשמלית. ישנם סוגים שונים של סוללות, והתגובות הכימיות הספציפיות שונות ביניהן. שתי דוגמאות מוכרות:

–  סוללות אלקליין: בסוללת אלקליין, האנודה עשויה בדרך כלל מאבץ, הקתודה עשויה מנגן דו חמצני, והאלקטרוליט הוא אשלגן הידרוקסיד. התגובה הכימית כוללת חמצון של אבץ באנודה והפחתת מנגן דו חמצני בקתודה.

–  סוללות ליתיום-יון: בסוללת ליתיום-יון, האנודה עשויה בדרך כלל מפחמן (גרפיט), הקתודה יכולה להיות עשויה מחומרים שונים (כגון תחמוצת ליתיום קובלט או NMC, פוספט ליתיום ברזל או LFP), והאלקטרוליט הוא מלח ליתיום מומס. התגובות הכימיות כרוכות בתנועה של יוני ליתיום בין האנודה לקתודה.

3.  זרימת אלקטרונים: כאשר הסוללה מחוברת למכשיר – למשל המנוע של הרכב החשמלי, אלקטרונים זורמים מהאנודה לקתודה דרך מעגל חיצוני ויוצרים זרם חשמלי. זרימת אלקטרונים זו היא שמפעילה את המנוע.

4.  זרימת יונים: במקביל, יונים זורמים דרך האלקטרוליט מהאנודה לקתודה כדי לשמור על איזון המטען. תנועה זו של יונים עוזרת לקיים את התגובות הכימיות בסוללה.

5.  סוללות נטענות: ניתן להטעין, כמו סוללות ליתיום-יון, על ידי הפעלת מתח חיצוני (בדרך כלל גבוה מהמתח של הסוללה) כדי להפוך את התגובות הכימיות שהתרחשו במהלך הפריקה. זה משחזר את ההרכב הכימי של הסוללה, ומאפשר לה לאגור אנרגיה שוב.

6.  חיי סוללה: עם הזמן, יכולת הסוללה לאגור ולשחרר אנרגיה עלולה לרדת עקב שינויים כימיים בתוך הסוללה. גורמים כמו טמפרטורה, עומק פריקה ומספר מחזורי הטעינה והפריקה יכולים להשפיע על תוחלת החיים של הסוללה. לרוב הסוללות של רכב חשמלי מהרגע שהסוללה לא מסוגלת לעבור 70% טעינה היא נחשבת לפסולה ויש להחליפה.

סיכום

לסוגים שונים של סוללות יש כימיה ומאפיינים ייחודיים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים שונים. הבנת הכימיה שמאחורי סוללות היא חיונית לשיפור טכנולוגיות של אחסון אנרגיה, ביצוע סוללות יעילות יותר והארכת תוחלת החיים שלהן.