פנו מקום לליתיום: סוללות אלומיניום וגופרית מציתות מהפכת אנרגיה

בינואר 2024 פורסם ב-Nature Communications מחקר על סוללת אלומיניום-גופרית שפועלת ב-85°C עם אלקטרוליט כלורואלאומינאט מותך, ושומרת על 85.4% מהקיבולת שלה לאחר 1,400 מחזורי טעינה ב-1C.
האב-טיפוס של סוללת אלומיניום-יון של סטנפורד מ-2015 השתמש באנודת אלומיניום וקטודת גרפיט, מה שאפשר טעינה מהירה במיוחד (כדקה אחת) ויותר מ-7,500 מחזורים במתח של כ-2 וולט.
ב-2014 הדגימה Phinergy רכב שיכול לנסוע כ-1,100 מייל באמצעות סוללות אלומיניום-אוויר.
סוללות אלומיניום-אוויר מציעות בערך פי שלושה צפיפות אנרגיה למשקל לעומת סוללות ליתיום-יון.
בינואר 2023 הדגימה מעבדת Argonne National Li–S תאים עם שכבת ביניים רדוקס-אקטיבית שכמעט ביטלה את אפקט השאטל ואפשרה מעל 700 מחזורים.
תאי ליתיום-גופרית הדגימו צפיפות אנרגיה של כ-400–500 Wh/kg במעבדות, ופרויקט SABERS של נאס"א מכוון לכ-500 Wh/kg לתעופה חשמלית.
באוגוסט 2022 הציג דונלד סאדוויי מ-MIT סוללת אלומיניום-גופרית עם אנודת אלומיניום וקטודת גופרית, תוך שימוש באלקטרוליטים של מלח מותך להפעלה בטוחה וזולה.
באוקטובר 2024 הודיעה Lyten על תוכניות להקים את גיגמפקטוריית סוללות הליתיום-גופרית הראשונה בעולם בנבדה, עם יעד של 10 ג'יגה-ואט-שעה בשנה עד 2027.
במרץ 2025 גייסה Theion סכום של 15 מיליון אירו להרחבת ייצור תאי ליתיום-גופרית מגופרית גבישית, בטענה לפי שלושה צפיפות אנרגיה לעומת ליתיום-יון, שליש מהעלות ושליש מפליטת ה-CO₂, עם תוכניות לעבור מתאים עגולים לתאים שטוחים גדולים יותר.
ב-2023 הציגו Phinergy וחברת Indian Oil Corporation את הרכב הראשון בהודו המונע בסוללת אלומיניום-אוויר, מה שמסמן פוטנציאל לפריסה בשוק.

דמיינו סוללות העשויות מיריעת אלומיניום רגילה ואבקת גופרית, שמספקות אנרגיה לבתים ועד למכוניות חשמליות – בעלות מזערית לעומת היום. סוללות מבוססות אלומיניום וגופרית צצות כחלופות מבטיחות לסוללות ליתיום-יון המסורתיות, ומציעות פוטנציאל מפתה לאגירת אנרגיה זולה, בטוחה וברת-קיימא יותר. בדוח זה נעמיק מהן סוללות אלומיניום וגופרית, כיצד הן פועלות, אילו סוגים מפותחים (כולל שילוב מסקרן של אלומיניום וגופרית), יתרונותיהן ואתגריהן, השחקנים המרכזיים שמובילים פריצות דרך, ואיך חידושים אחרונים בשנים 2024–2025 עשויים לשנות את שוק האנרגיה הנקייה והרכבים החשמליים. (כל המקורות מצוינים לאמינות.)

מהן סוללות אלומיניום וגופרית?

סוללות אלומיניום וסוללות גופרית הן שתי משפחות עיקריות של טכנולוגיות סוללות נטענות מהדור הבא, שמטרתן להתגבר על מגבלות סוללות הליתיום-יון של היום. בפשטות, הן משתמשות באלומיניום או גופרית (או שניהם) בתגובות האלקטרוכימיות שלהן במקום להסתמך רק על כימיה מבוססת ליתיום. כמו כל סוללה, גם להן שלושה חלקים עיקריים – אלקטרודה חיובית (קתודה), אלקטרודה שלילית (אנודה), ואלקטרוליט ביניהן שמעביר יונים בזמן טעינה ופריקה. ההבדל המרכזי הוא הכימיה: בסוללות אלומיניום, המתכת אלומיניום משמשת לרוב כאנודה (ובחלק מהעיצובים גם מספקת את יוני המטען), ואילו בסוללות גופרית, היסוד גופרית משמש בדרך כלל כחומר קתודה שמקבל יונים מאנודת מתכת (כמו ליתיום או נתרן).

למה לחקור אלומיניום או גופרית? שני היסודות נפוצים וזולים במיוחד בהשוואה לליתיום וקובלט המשמשים בתאי ליתיום-יון. אלומיניום הוא המתכת הנפוצה ביותר בקרום כדור הארץ ויש לו קיבולת תיאורטית גבוהה מאוד לאגירת מטען (כל אטום אלומיניום יכול לשחרר 3 אלקטרונים, מה שמעניק לו קיבולת מטען של 2.98 אמפר-שעה לגרם, שזה עצום) nature.com. גופרית היא אחד היסודות הלא-מתכתיים הזולים ביותר (לעיתים תוצר לוואי של זיקוק נפט) ויכולה להיקשר לשני יוני ליתיום לכל אטום, מה שמאפשר פוטנציאל אגירת אנרגיה גבוה מאוד nature.com, anl.gov. עקרונית, סוללות המשתמשות באלומיניום או גופרית יכולות לאגור יותר אנרגיה עבור משקל נתון ולעלות הרבה פחות מחבילות ליתיום-יון של היום. כפי שמסבירים חוקרים במעבדה הלאומית ארגון, "גופרית נפוצה מאוד, חסכונית ויכולה לאגור יותר אנרגיה מסוללות מסורתיות מבוססות יונים." anl.gov באופן דומה, אלומיניום הוא זול, זמין בשפע, ואוגר מטען בצפיפות גבוהה הן לפי משקל והן לפי נפחnature.com.

מניע מרכזי נוסף הוא בטיחות וקיימות. סוללות ליתיום-יון משתמשות באלקטרוליטים נוזליים דליקים ולעיתים דורשות מתכות נדירות (כמו קובלט, ניקל, ליתיום) שמעלות בעיות שרשרת אספקה ואתיות. לעומת זאת, עיצובים רבים של סוללות אלומיניום וגופרית יכולים להשתמש באלקטרוליטים לא דליקים (כמו נוזלים יוניים או מלחים מותכים) ולהימנע ממינרלים בעייתיים. לדוגמה, עיצוב סוללת ליתיום-גופרית חדש משתמש רק ב"חומרים מקומיים זמינים בשפע, ומבטל את הצורך במינרלים מכורים כמו ניקל, קובלט, מנגן וגרפיט," לפי חברת הסוללות Lyten lyten.com. פרופסור דונלד סאדוויי מ-MIT – חדשן סוללות מוביל – מחפש במפורש "מרכיבים זולים ונפוצים בכדור הארץ" כדי להמציא משהו "הרבה יותר טוב מליתיום-יון", ובחר באלומיניום לאנודה ובגופרית לקתודה בכימיה של הסוללה החדשה שלו news.mit.edu.

בקיצור, סוללות אלומיניום וגופרית הן ניסיון לבנות סוללה זולה, בטוחה ואתית יותר באמצעות יסודות נפוצים (ללא מחסור עולמי), זולים ובעלי קיבולת גבוהה מטבעם. כעת נבחן כיצד סוללות אלו פועלות בפועל ואת הסוגים השונים בפיתוח.

איך הן פועלות? (יסודות הסוללה בשפה פשוטה)

סוללות מבוססות אלומיניום בדרך כלל משתמשות במתכת אלומיניום כאנודה. כאשר הסוללה נפרקת, מתכת האלומיניום מוסרת אלקטרונים (ויוצרת זרם חשמלי) ויוני אלומיניום (Al³⁺) שנעים דרך האלקטרוליט לקתודה. בהתאם לסוג הסוללה, יוני האלומיניום הללו או שמוחדרים (משולבים) לתוך חומר הקתודה או מגיבים איתו. לדוגמה, בסוללת אלומיניום-יון, יוני Al³⁺ נעים אל תוך קתודה שכבתית (כמו גרפיט או תחמוצת מתכת) ויוצאים ממנה חזרה במהלך הטעינה news.stanford.edu. בסוללת אלומיניום-גופרית, יוני האלומיניום מגיבים עם הגופרית בקתודה ליצירת תרכובות אלומיניום-גופרית במהלך הפריקה, ואז חוזרים למתכת אלומיניום בעת הטעינה nature.com. ובסוללות אלומיניום-אוויר, מתכת האלומיניום מגיבה עם חמצן מהאוויר בקתודה מיוחדת, ויוצרת תחמוצת או הידרוקסיד אלומיניום – תגובה שמשחררת חשמל עד שהאנודה מאלומיניום נצרכת.

סוללות מבוססות גופרית בדרך כלל כוללות קתודת גופרית יחד עם אנודת מתכת (ליתיום הוא הנפוץ ביותר, אך גם נתרן ואפילו מגנזיום או אלומיניום יכולים לשמש). ניקח לדוגמה את ליתיום-גופרית (Li-S): בעת פריקה, אטומי ליתיום במתכת האנודה מוסרים אלקטרונים והופכים ליוני ליתיום (Li⁺) שנעים דרך האלקטרוליט אל קתודת הגופרית. הגופרית (מולקולות S₈) שם מומרת לליתיום סולפיד (Li₂S) על ידי קליטת יוני ליתיום – למעשה, הגופרית סופגת יוני ליתיום ואלקטרונים ליצירת תרכובות חדשות, ואוגרת אנרגיה בקשרים הכימיים. במהלך הטעינה, התהליך מתהפך: יוני הליתיום עוזבים את הגופרית וחוזרים לאנודה, והגופרית מתחדשת. מכיוון שכל אטום גופרית יכול לקשור שני אטומי ליתיום, וטבעות S₈ יכולות להתפרק למולקולות פוליסולפיד ליתיום שונות, סוללות Li-S יכולות תאורטית לאגור פי 3–5 יותר אנרגיה למשקל מאשר ליתיום-יון. סוללות נתרן-גופרית (Na-S) פועלות באופן דומה עם יוני נתרן ויוצרות בדרך כלל פוליסולפידים של נתרן או נתרן סולפיד.

בכל הסוללות הללו, יונים נעים הלוך ושוב דרך האלקטרוליט בזמן שאלקטרונים זורמים דרך מעגל חיצוני – כך הסוללה נטענת ונפרקת. האלקטרוליט יכול להיות נוזל, ג'ל או מוצק שמאפשר ליונים לנוע אך מאלץ את האלקטרונים לעבור דרך המעגל (שמפעיל את המכשיר שלך). חשוב לציין, שחלק מהכימיות החדשות הללו דורשות אלקטרוליטים מיוחדים כדי לפעול. סוללות אלומיניום-יון לרוב מסתמכות על אלקטרוליטים של נוזל יוני או מלח מותך מכיוון שיוני Al³⁺ מגיבים חזק עם ממסים רגילים. למעשה, סוללות אלומיניום נטענות ראשונות הפכו לאפשריות רק כאשר חוקרים מצאו נוזל יוני בטמפרטורת החדר (מבוסס על מלחים כלורואלאומינטיים) שמאפשר ליוני אלומיניום להיכנס ולצאת מקתודת גרפיט ביעילות news.stanford.edu. באופן דומה, סוללות ליתיום-גופרית משתמשות לעיתים קרובות באלקטרוליטים נוזליים מותאמים או באלקטרוליטים מוצקים כדי למנוע בעיות שנדון בהן בהמשך (כמו דליפת גופרית לאלקטרוליט).

לסיכום בפשטות: סוללות אלומיניום מייצרות חשמל כאשר מתכת האלומיניום משחררת מספר אלקטרונים לכל אטום (מטען גבוה במיוחד לכל אטום מתכת) ויוצרת קשרים או עם קטודה מארחת או עם חמצן/גופרית, בעוד שסוללות גופרית מייצרות חשמל כאשר יסוד קל ונפוץ (גופרית) לוכד יוני מתכת ואלקטרונים לתוך תרכובות עתירות אנרגיה. שני העיצובים הללו מעבירים אותנו מעבר להעברת יון ליתיום בודד של סוללות נוכחיות, ובכך עשויים לאפשר יותר אנרגיה לכל טעינה. כעת, נבחן את הסוגים הספציפיים של סוללות אלו שנמצאים בפיתוח.

סוגי סוללות מבוססות אלומיניום

חוקרים בוחנים מספר סוגי סוללות המשתמשות באלומיניום בדרכים שונות:

סוללות אלומיניום-יון נטענות (Al-Ion): סוללות אלו משתמשות במתכת אלומיניום כאנודה ובדרך כלל בקתודה גרפיטית עם אלקטרוליט יוני מיוחד. דוגמה מוקדמת מפורסמת הגיעה מאוניברסיטת סטנפורד ב-2015, שם מדענים הדגימו אבטיפוס של סוללת אלומיניום-יון עם אנודת אלומיניום וקתודת גרפיט באלקטרוליט יוני. היא הציגה טעינה מהירה במיוחד (תא קטן נטען בכדקה בערך!) וחיי מחזור ארוכים במיוחד (מעל 7,500 מחזורי טעינה ללא אובדן קיבולת) news.stanford.edu. התא של סטנפורד היה גם בטוח מאוד – החוקרים יכלו לקדוח דרך תא האריזה מבלי שיתלקח, בניגוד לתאי ליתיום news.stanford.edu. עם זאת, המתח שלה היה נמוך יותר (~2 וולט, בערך חצי מהמתח של תא ליתיום-יון טיפוסי) news.stanford.edu, כלומר יש צורך ביותר תאים בטור כדי להגיע למתחים שימושיים. יתרון מרכזי: סוללות אלומיניום-יון מבטיחות טעינה מהירה, אורך חיים ארוך ובטיחות משופרת (ללא רכיבים נוטים להתלקחות), תוך שימוש בחומרים זולים (אלומיניום ופחמן) news.stanford.edu. מחקר מתמשך שואף להעלות את צפיפות האנרגיה שלהן על ידי מציאת קתודות ואלקטרוליטים טובים יותר להגדלת המתח והקיבולת news.stanford.edu. מספר קבוצות ברחבי העולם (מסטנפורד ועד אוניברסיטאות בסין news.mit.edu) מקדמות את טכנולוגיית האלומיניום-יון. לדוגמה, חוקרים בודקים חומרים שונים לקתודה (כולל אפילו סולפידים מתכתיים nature.com) כדי לאחסן יוני אלומיניום ביעילות רבה יותר nature.com.
סוללות אלומיניום-אוויר: אלומיניום-אוויר היא סוללה ראשונית (לא נטענת בחשמל, אך ניתנת ל"התדלוק" מכני) שבה מתכת האלומיניום מגיבה עם חמצן מהאוויר כדי לייצר חשמל. לתאים אלה יש צפיפות אנרגיה מרשימה במיוחד כי הקתודה היא פשוט אוויר מהסביבה – מה שהופך את הסוללה לקלה במיוחד. למעשה, חבילות אלומיניום-אוויר יכולות להכיל בערך פי 3 יותר אנרגיה למשקל לעומת ליתיום-יון ברמת המערכת evreporter.com. החיסרון הוא שברגע שהאנודה מאלומיניום מתחמצנת להידרוקסיד או תחמוצת אלומיניום, התא "מתרוקן" ויש צורך באלומיניום טרי כדי להמשיך. זה הופך את אלומיניום-אוויר לדומה יותר לתא דלק או מרחיב טווח: מחליפים לוח אלומיניום חדש (וממחזרים את הישן) במקום להטעין בחשמל. חברות כמו Phinergy מישראל פורצות דרך במערכות אלומיניום-אוויר כבר שנים. בשיתוף עם חברת Indian Oil, הן מריצות פיילוטים של סוללות אלומיניום-אוויר ברכבים חשמליים וביחידות גיבוי נייחות. ב-2023, הן הדגימו רכב חשמלי קטן בהודו שנסע מעל 500 ק"מ על תאי אלומיניום-אוויר לפני שנדרש "תדלוק" אלומיניוםevreporter.com. מנכ"ל Phinergy, דוד מאייר, מציין שטכנולוגיית אלומיניום-אוויר היא "בטוחה, לא דליקה," דורשת ללא תשתית טעינה כבדה, וניתן "להטעין" אותה (על ידי החלפת אלומיניום) "בכמה דקות" במקום שעות evreporter.com. החיסרון הוא הצורך להקים שרשרת אספקה שלמה לייצור המוני ומיחזור לוחות אלומיניום. עם זאת, הטכנולוגיה הזו כבר מסחרית בנישות מסוימות: למשל, יחידות אלומיניום-אוויר של Phinergy משמשות כגיבוי חשמל למגדלי תקשורת (במקום גנרטורים דיזל) בישראל ובאירופה evreporter.com. סוללות אלומיניום-אוויר אולי לא יחליפו ישירות את הסוללה הנטענת בטלפון שלך, אבל הן יכולות לשמש כמרחיבי טווח לרכבים חשמליים או לאחסון ארוך טווח – לספק עתודת אנרגיה עצומה שמחליפים מדי פעם.
סוללות אלומיניום-גופרית: באופן מרתק, כמה חוקרים משלבים אלומיניום וגופרית בסוללה אחת – תוך שימוש באלומיניום כאנודה ובגופרית כקתודה, עם אלקטרוליט של מלח מותך או נוזל יוני. גישה היברידית זו מנסה לרתום את היתרונות של שני היסודות: קיבולת האנודה הגבוהה של האלומיניום וקיבולת הקתודה הגבוהה של הגופרית, והכול עם חומרים זולים במיוחד. באוגוסט 2022, צוות בראשות דונלד סאדוויי מ-MIT חשף עיצוב חדש של סוללת אלומיניום-גופרית שזכה מיד לכותרות בשל עלותו הנמוכה וביצועיו. היא עושה שימוש במלחי כלורו-אלומיניום מותכים כאלקטרוליט, שפועלים בטמפרטורה מתונה (כ-110°C, בדומה לספל קפה חם) כדי לשמור את המלח כנוזל news.mit.edu. האלקטרוליט המחומם היה בחירה חכמה: הוא לא רק בלתי דליק וזול, אלא גם מנע דנדריטים – אותם קוצים מתכתיים מטרידים שעלולים לגרום לקצר בסוללות. כפי שסאדוויי ניסח זאת, המלח הנבחר "בעצם הוציא לגמלאות את הדנדריטים הבלתי נשלטים הללו, וגם אפשר טעינה מהירה מאוד" news.mit.edu. תא האב-טיפוס של אלומיניום-גופרית שלו ניתן היה להטעין בפחות מדקה ללא קצר, ופעל מאות מחזורים עם עלות מוערכת לתא של כ-שישית מזו של תאי ליתיום-יון דומים news.mit.edu. מדובר בהפחתת עלות עצומה, שאושרה על ידי אנליסטים חיצוניים; עלויות החומרים של סוללות אלו עשויות להיות נמוכות ב-85% מאלו של ליתיום-יון לפי מגזין Science news.mit.edu. החזון הוא להשתמש בתאים כאלה לאגירה סטציונרית (למשל, אגירת אנרגיה סולארית לשימוש לילי) ואולי גם לתמיכה בטעינה מהירה של רכבים חשמליים. העיצוב של סאדוויי עובר מסחור על ידי סטארט-אפ בשם Avanti, שמטרתו להגדיל את קנה המידה של התאים ולבצע מבחני מאמץ בעתיד הקרוב news.mit.edu. בינתיים, קבוצות נוספות דוחפות את רעיון האלומיניום-גופרית קדימה: בינואר 2024, חוקרים בסין דיווחו על סוללת Al-S נטענת שיכולה לפעול ב-85°C (קצת מתחת לנקודת הרתיחה של מים, אפילו קל יותר לתחזוקה) עם אורך חיים מצוין – מעל 1,400 מחזורים עם אובדן קיבולת של 15% בלבד, ויכולת טעינה מהירה בטמפרטורה זו nature.com. הורדת טמפרטורת ההפעלה מתחת ל-100°C מאפשרת חימום פשוט במים חמים לשמירה על הסוללה, מה "מפשט מאוד" את ניהול החום ופותח פתח ליישומים רחבים יותר nature.com. בשורה התחתונה: סוללות אלומיניום-גופרית עשויות להפוך למשנות משחק בתחום אגירת האנרגיה לרשת ואולי גם ל…בכלי רכב, על ידי אספקת סוללות עמידות לאש וזולות במיוחד המשתמשות באלומיניום המצוי בשפע (המתכת הנפוצה ביותר) ובגופרית (האל-מתכת הזולה ביותר) news.mit.edu.

סוגי סוללות מבוססות גופרית

מספר טכנולוגיות סוללות מנצלות קטודות גופרית יחד עם אנודות שונות:

סוללות ליתיום-גופרית (Li-S): ליתיום-גופרית היא אחת מהכימיות ה"פוסט-ליתיום" הנחקרות ביותר בשל הפוטנציאל האנרגטי הגבוה במיוחד שלה. תא Li-S יכול תאורטית לאגור עד פי 5 יותר אנרגיה למשקל מתא ליתיום-יון, מכיוון שגופרית קלה מאוד וכל אטום גופרית יכול לקשור מספר אטומי ליתיום. בפועל, סוללות Li-S כבר הדגימו צפיפויות אנרגיה של כ-400–500 Wh/kg (בערך פי שניים מליתיום-יון) במעבדות businessaviation.aero, apricum-group.com. הן גם אטרקטיביות בשל היותן זולות מאוד וירוקות – הגופרית כמעט ואינה עולה כסף והיא בשפע, וסוללות Li-S אינן מכילות קובלט או ניקל. עם זאת, עקב האכילס של Li-S היה אורך חיים ויציבות. אב-טיפוס מסורתיים של Li-S סבלו מתופעת "שאטל הפוליסולפיד": תרכובות גופרית ביניים (פוליסולפידים) מתמוססות באלקטרוליט במהלך מחזורי הטעינה ונודדות לאנודת הליתיום, מה שגורם לפריקה עצמית, קורוזיה ודעיכה מהירה בקיבולת anl.gov. הן גם עוברות "נשימה" משמעותית (שינויי נפח) – הגופרית מתרחבת ומתכווצת מאוד במהלך טעינה/פריקה, מה שעלול להזיק למבנה התא reuters.com. בעיות אלו גרמו לכך שסוללות Li-S מוקדמות מתו לאחר עשרות מחזורים בלבד. החדשות הטובות הן שפריצות דרך אחרונות פותרות את הבעיות הללו. חוקרים פיתחו קטודות פחמן ננו-מבניות ותוספי אלקטרוליט הלוכדים פוליסולפידים ומאריכים את אורך החיים nature.com. בינואר 2023, מעבדת Argonne National הדגימה תא Li-S עם שכבת ביניים "רדוקס-אקטיבית" נקבובית מיוחדת שכמעט חיסלה את בעיית השאטל, ואפשרה לסוללה לשרוד מעל 700 מחזורים תוך שמירה על קיבולת גבוהה anl.gov. "סוללות [גופרית] קודמות רק דיכאו את השאטל אך הקריבו אנרגיה. השכבה שלנו מוסיפה קיבולת אחסון וגם מדכאת את השאטל," הסביר הכימאי גוויליאנג שו מ-Argonne anl.gov. הדבר מרמז שניתן לייצר סוללות Li-S שהן גם עתירות אנרגיה וגם ארוכות חיים. למעשה, חברות כעת מתחרות להוציא אותן לשוק: Lyten, סטארט-אפ מקליפורניה, פיתח תא ליתיום-גופרית שמחוזק בחומרי גרפן תלת-ממדיים קנייניים ומכוון לשווקים נישתיים כמו רחפנים, תעופה וביטחון בשנים 2024–2025 <a href="httlyten.com. לייטן טוענת שסוללות ה-Li-S שלהן הן קלות ב-40% מסוללות ליתיום-יון של היום (וקלות ב-60% מסוללות ליתיום-ברזל-פוספט), תוך שהן זולות יותר בייצור המוני בזכות ביטול הצורך בניקל, קובלט וחומרים יקרים אחרים lyten.com. חברה נוספת, Theion (גרמניה), עובדת על קתודות גופרית גבישית ודיווחה לאחרונה על תאי Li-S עם צפיפות אנרגיה גבוהה פי 3 מליתיום-יון, ובעלות של שליש בלבד, ועם פוטנציאל לפליטות ייצור של שליש בלבד reuters.com. מנכ"ל Theion, אולריך אהמס, אמר שהסוללות שלהם – שמונעות בעיות קורוזיה באמצעות שימוש בצורה יציבה של גופרית ועיצוב מורחב מראש – עשויות להיכנס לרכבים חשמליים "לפני סוף העשור" אם הפיתוח ימשיך כמתוכנן reuters.com. בקיצור, סוללות ליתיום-גופרית עומדות לעבור מהמעבדה לשוק, ומבטיחות חבילות אולטרה-קלות ובעלות אנרגיה גבוהה ליישומים שבהם כל קילוגרם קובע (מטוסים חשמליים, רכבים חשמליים ארוכי טווח, חלל).
סוללות נתרן-גופרית (Na-S): נתרן וגופרית אולי נשמעים כמו שילוב לא סביר (נתרן הוא מאוד תגובתי, וסוללות Na-S מוקדמות פעלו חם ב-300°C), אך הכימיה הזו בעלת ותק רב באחסון רשת חשמל. סוללות Na-S בטמפרטורה גבוהה נמצאות בשימוש לאחסון אנרגיה בקנה מידה תעשייתי כבר עשרות שנים (בעיקר על ידי NGK ביפן) – הן פועלות עם נתרן וגופרית מותכים המופרדים על ידי אלקטרוליט קרמי מוצק, ומספקות יעילות ואריכות ימים טובות לאחסון נייח. עם זאת, הצורך לשמור עליהן בטמפרטורה של כ-300°C הגביל את האימוץ הרחב. לאחרונה, יש התלהבות סביב סוללות נתרן-גופרית בטמפרטורת החדר שיכולות להציע חלופה בטוחה וזולה לאחסון בקנה מידה גדול. בסוף 2022, צוות מאוניברסיטת סידני הודיע על "סוללה זולה עם קיבולת פי ארבעה מליתיום-יון" באמצעות עיצוב Na-S חדש בטמפרטורת החדר sydney.edu.au. על ידי שימוש באלקטרודה פחמן נקבובית וטיפול תרמי פשוט (פירוליזה) ליצירת צורה תגובתית יותר של גופרית, הם השיגו קיבולת גבוהה במיוחד וחיים ארוכים במיוחד בטמפרטורת החדר, תוך התגברות על הביצועים ה"אטיים" של Na-S בעבר sydney.edu.au. החוקר הראשי ד"ר שנלונג ז'או אמר שסוללת נתרן-גופרית זו "עשויה להוזיל עלויות באופן דרמטי תוך מתן קיבולת אחסון פי ארבעה. זהו פריצת דרך משמעותית לפיתוח אנרגיה מתחדשת…" sydney.edu.au. אכן, נתרן וגופרית נפוצים וזולים אף יותר מליתיום, ולכן סוללת Na-S מוצלחת יכולה להיות ברכה לאחסון אנרגיה ברשת – לאפשר סוללות גדולות לחוות רוח/שמש בעלות מינימלית. אמנם תאי Na-S אינם משתווים ל-Li-ion לצרכי רכב חשמלי קומפקטי (נתרן כבד יותר, ותאים אלה כיום בפורמט גדול יותר), אך הם עשויים להפוך לחלק קריטי מתשתית האנרגיה הנקייה, ולהציע אחסון בטוח וזול כאשר השמש לא זורחת או הרוח לא נושבת sydney.edu.au. מחקר נמשך ברחבי העולם (סין, אוסטרליה, אירופה) לשיפור סוללות Na-S בטמפרטורת החדר לקראת מסחור.
סוללות אחרות מבוססות גופרית: מעבר לליתיום-גופרית (Li-S) ונתרן-גופרית (Na-S), חוקרים ניסו לשלב קטודות גופרית עם מתכות נוספות כמו מגנזיום או סידן, ואפילו לשלב גופרית עם אלומיניום (כפי שדובר קודם). סוללות מתכת-גופרית מולטיוולנטיות אלו (כאשר יון המתכת נושא יותר ממטען אחד, לדוג' Al³⁺ או Mg²⁺) מושכות מאותן סיבות כמו אלומיניום או גופרית בפני עצמם – שפע וקיבול גבוה – אך הן מתמודדות עם כימיה אף מסובכת יותר ונמצאות בעיקר בשלבי מחקר מוקדמים advanced.onlinelibrary.wiley.com. לדוגמה, תאי מגנזיום-גופרית מתקשים בהתאמת אלקטרוליט ובקינטיקה איטית. סוללות גופרית במצב מוצק הן וריאציה חדשנית נוספת: באמצעות שימוש באלקטרוליט מוצק (לעיתים סולפיד או פולימר), שואפים מדענים ליצור תאי Li-S בטוחים יותר (ללא נוזל דליק) ושמדכאים לחלוטין את תופעת ה"שאטל" של הפוליסולפידים onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. נאס"א מפתחת באופן פעיל סוללת ליתיום-גופרית במצב מוצק (פרויקט SABERS) עם קטודת גופרית-סלניום ואלקטרוליט מוצק חדשני, שהגיעה לצפיפות אנרגיה של כ-500 Wh/kg, המתאימה לתעופה חשמלית businessaviation.aero. המשיכה של גופרית – קלה, זמינה, עוצמתית – מציבה אותה במרכזם של רעיונות סוללה עתידניים רבים.

לאחר שסקרנו את סוגי הסוללות מבוססות אלומיניום וגופרית, נוכל כעת להשוות כיצד טכנולוגיות אלו משתוות לליתיום-יון השולטת ומה היתרונות הייחודיים שהן מציעות.

יתרונות מרכזיים על פני ליתיום-יון

גם סוללות מבוססות אלומיניום וגם סוללות מבוססות גופרית מבטיחות יתרונות משמעותיים בעלות, קיימות וביצועים – אם הפיתוח שלהן ימשיך בהצלחה. הנה היתרונות המרכזיים:

🌎 חומרים שופעים וזולים: אלומיניום וגופרית הם זולים ונפוצים כמעט בכל מקום. אלומיניום הוא המתכת הנפוצה ביותר בקרום כדור הארץ, וגופרית היא תוצר לוואי נפוץ של זיקוק. המשמעות היא שעלויות החומר יכולות להיות נמוכות משמעותית. דוח של Science ציין כי חומרי הגלם לסוללת אלומיניום-גופרית עשויים להיות זולים ב-85% מחומרי הגלם לסוללות ליתיום-יון news.mit.edu. Theion (סטארט-אפ סוללות גופרית) טוענת גם היא שהתאים שלה יעלו רק שליש מהעלות של תאי ליתיום-יון reuters.com. במילותיו של סדווי, סוללות אלו הן "ממוצא אתי, זולות, [ו]יעילות" news.mit.edu – הן נמנעות ממתכות יקרות שלרוב קשורות לכרייה בעייתית. שימוש במשאבים שופעים גם מפחית צווארי בקבוק באספקה; לא ניתקל במחסור בליתיום או קובלט אם סוללות אלומיניום-גופרית יתפסו תאוצה.
🔥 בטיחות משופרת (לא דליק): סוללות אלומיניום/גופרית מהדור הבא מתוכננות להיות בטוחות בהרבה. במקום אלקטרוליטים אורגניים דליקים, הן עשויות להשתמש במלחים מותכים אי-אורגניים או אלקטרוליטים מוצקים שאינם נדלקים news.mit.edu. תאי אלומיניום-יון ואלומיניום-גופרית שהודגמו בסטנפורד וב-MIT "לא יתפסו אש, אפילו אם תקדחו דרכם" או יפעלו בטמפרטורה גבוהה news.stanford.edu, news.mit.edu. באותו אופן, קתודות גופרית בשילוב עם אלקטרוליטים מוצקים או ג'ל עמידות יותר בפני בריחה תרמית לעומת ליתיום-יון קונבנציונלי. המערכת של Phinergy מבוססת אלומיניום-אוויר אינה דליקה מטבעה ו"בטוחה, לא דליקה" בשימוש evreporter.com. בטיחות מוגברת לא רק מגנה על המשתמשים, אלא גם מפשטת את ההובלה והייצור (אין צורך בקירור יקר או במערכות כיבוי אש במארזי הסוללות).
⚡ צפיפות אנרגיה גבוהה & משקל קל: שתי הכימיות מציעות פוטנציאל לאחסון אנרגיה גבוה יותר לכל משקל לעומת הסוללות של היום. לדוגמה, סוללות ליתיום-גופרית הגיעו לכ-500 Wh/kg באבות טיפוס businessaviation.aero – בערך פי שניים מהטובות ביותר של ליתיום-יון, מה שמאפשר חבילות סוללה קלות בהרבה. חברת Lyten מדווחת שתאי ליתיום-גופרית שלה יהיו עד 40% קלים יותר מליתיום-יון עבור אותה כמות אנרגיה lyten.com. Theion מכוונת לפי 3 צפיפות אנרגיה מליתיום-יון reuters.com. עבור רכבים חשמליים ומטוסים, זה עשוי להתבטא בטווח נסיעה ארוך יותר או מטען גבוה יותר לאותו משקל סוללה. אלומיניום-אוויר נמצא ברמות גבוהות במיוחד של צפיפות אנרגיה (הוא שימש לקביעת שיא נסיעה של 1,100 מייל ברכב חשמלי על "מיכל" אלומיניום-אוויר אחד לפני כמה שנים), אם כי יש צורך בתדלוק מחדש. אפילו סוללות אלומיניום-יון, למרות שהן בעלות אנרגיה תיאורטית נמוכה יותר מליתיום-גופרית, יכולות להצטיין בצפיפות הספק – התא של סטנפורד נטען במלואו בדקה אחת news.stanford.edu, מה שמרמז על סוללות שנטענות במהירות כמו תדלוק מיכל דלק. בקיצור, טכנולוגיות אלו עשויות לספק או הרבה יותר אנרגיה (לשימוש ממושך) או קצבי טעינה/פריקה מהירים בהרבה מליתיום-יון, או את שניהם.
🔋 פוטנציאל אורך חיים ארוך: כאשר הן מהונדסות כראוי, סוללות אלומיניום וגופרית עשויות להחזיק מעמד כמו או יותר מליתיום-יון. אנודות אלומיניום מתכת אינן יוצרות דנדריטים כמו ליתיום (במיוחד עם האלקטרוליטים הנכונים) news.mit.edu, ולכן הן יכולות להיות עמידות מאוד. תא אלומיניום-יון של סטנפורד שרד מעל 7,500 מחזורי טעינה (פי עשרה מליתיום-יון) news.stanford.edu. לתאי גופרית היה היסטורית אורך חיים קצר, אך עיצובים חדשים (שכבות ביניים, מצב מוצק וכו') מגיעים למאות ואף אלפי מחזורים עם אובדן מינימלי anl.gov, nature.com. לאחסון נייח, סוללה שמסוגלת לעבור מחזור טעינה כל יום במשך 10+ שנים היא קריטית, והמפתחים של כימיות אלו ממוקדים מאוד ביציבות.
♻️ יתרונות סביבתיים ואתיים: מכיוון שהן משתמשות בחומרים זמינים בקלות, סוללות אלו נמנעות מהנזק הסביבתי הכרוך בכרייה ועיבוד של מתכות נדירות כמו קובלט, ניקל וליתיום. יש גם הפחתה ב-טביעת הרגל הפחמנית המובנית של הסוללה. Theion מעריכים שתאי הסוללה הגופריתיים שלהם יפלטו רק שליש מפליטת ה-CO₂ בייצור לעומת תאי ליתיום-יון reuters.com. גופרית היא לעיתים תוצר לוואי (מיליוני טונות נערמים במאגרים), כך ששימוש בה בסוללות הוא למעשה מיחזור פסולת תעשייתית. גם אלומיניום ניתן למיחזור בקלות – תשתית מיחזור עולמית קיימת יכולה לשמש לשחזור אלומיניום מסוללות משומשות בקלות. מבחינה אתית, שימוש בגופרית ואלומיניום עוקף את בעיות עבודת הילדים והפרות זכויות האדם שמלוות את כריית הקובלט. כל הגורמים הללו משמעותם שסוללות הדור הבא עשויות להיות בנות קיימא ואחראיות חברתית יותר לאורך כל מחזור חייהן.
💡 טעינה מהירה ועוצמה גבוהה: חלק מהעיצובים של אלומיניום/גופרית מציגים יכולת טעינה מהירה במיוחד. הזכרנו את טעינת ה-60 שניות בניסויים במעבדה news.stanford.edu. בנוסף, תאי אלומיניום-גופרית במעבדה פעלו ב-קצבי טעינה גבוהים מאוד (למשל טעינה ב-1C ומעלה בטמפרטורה גבוהה עם שימור מצוין) nature.com. אלומיניום-אוויר ניתן ל"טעינה" מיידית על ידי החלפת אלומיניום. תכונות אלו עשויות להקל על אחת התלונות הגדולות של צרכנים לגבי רכבים חשמליים וגאדג'טים – זמני טעינה ארוכים – וגם לספק הספק גבוה בעת הצורך (דמיינו כלי עבודה חשמליים או רכבים חשמליים עם סוללות אלומיניום שמספקות עוצמה חזקה ללא צניחת מתח).

חשוב לציין שלא כל אחד מהיתרונות הללו חל במידה שווה על כל הווריאנטים (למשל, אלומיניום-אוויר מספק אנרגיה רבה אך אינו נטען חשמלית; אלומיניום-יון נטען מהר אך בעל מתח נמוך יותר; ליתיום-גופרית קל מאוד אך חיי המחזור שלו כרגע בינוניים). עם זאת, ההבטחה הכוללת של סוללות אלומיניום וגופרית היא ש-ניתן להוריד באופן דרמטי עלויות ותלות בחומרים נדירים תוך שמירה או שיפור ביצועים בתחומי המפתח של בטיחות, אנרגיה ועוצמה.

אתגרים ומכשולים טכניים

אם סוללות אלומיניום וגופרית כל כך טובות, למה הן לא בכל מקום עדיין? האמת היא, שהטכנולוגיות הללו מתמודדות עם אתגרים משמעותיים שחוקרים ומהנדסים עדיין פועלים להתגבר עליהם:

שאטל פוליסולפיד והתדרדרות הקתודה (בעיות גופרית): בסוללות ליתיום-גופרית ובסוללות קתודת גופרית אחרות, בעיית השאטל הפוליסולפיד הידועה לשמצה הייתה מכשול עיקרי. במהלך מחזורי הסוללה, הגופרית עוברת שלבים ביניים שיכולים להתמוסס לאלקטרוליט ולנדוד לאנודה, מה שגורם לפריקה עצמית, אובדן חומר פעיל, ואף תגובות מזיקות עם האנודה anl.gov. הדבר מוביל לדעיכה מהירה בקיבולת. בנוסף, קתודות גופרית נוטות להתנפח ולהתכווץ באופן משמעותי (עד כ-80% שינוי בנפח) כאשר הן הופכות לליתיום סולפיד וחוזרות חזרה reuters.com. "נשימה" זו עלולה לרסק את הקתודה עם הזמן או לגרום לה להיפרד מאספני הזרם. למרות שאסטרטגיות חדשות (כמו הוספת שכבות מגן anl.gov, שימוש במארחים פחמן ננו-מבניים, או אלקטרוליטים מוצקים) הפחיתו בעיות אלו, הבטחת עמידות של סוללת גופרית למאות מחזורים בתנאי אמת נותרה אתגר מרכזי.
דנדריטים ובעיות ציפוי (אנודות מתכת): אנודות מתכת אלומיניום, כמו אנודות מתכת אחרות, יכולות ליצור דנדריטים (סיבים דקים מוליכים) בעת טעינה חוזרת, מה שמסכן בקצר חשמלי של התא. למעשה, אחת הסיבות המרכזיות לכך שסוללות אלומיניום נכשלו במשך זמן רב היא שאיש לא הצליח לגרום לציפוי/הסרה של אלומיניום להתרחש באופן אמין – לעיתים קרובות היה נוצר משקע "טחב" או שהאנודה הייתה מתבצרת על ידי יצירת שכבת תחמוצת. האלקטרוליטים מבוססי נוזל יוני ומלחים מותכים סייעו רבות ל"ריסון" הבעיה הזו (כאשר צוות אחד דיווח כי סוללת האל-מותך שלהם "מעולם לא איבדה תאים בשל קצר דנדריטים" במבחני טעינה מהירה news.mit.edu). אך אם היה נעשה שימוש באלקטרוליט קונבנציונלי יותר, דנדריטים או תגובות צד עם שכבת התחמוצת של האלומיניום עלולים להיות בעייתיים. באופן דומה, אם ליתיום מתכתי משמש כאנודה בסוללות גופרית (נפוץ בעיצובי Li-S), דנדריטים של ליתיום ובעיות בטיחות עולות, במיוחד בשימוש באלקטרוליטים נוזליים. חוקרים לעיתים מצמידים Li-S עם ממברנות מגן או עיצובים במצב מוצק כדי למנוע דנדריטים של ליתיום.
מתח פעולה נמוך ויעילות אנרגטית (יון אלומיניום): סוללות יון-אלומיניום, במיוחד כאלה המשתמשות באינטרקלציה (למשל, קתודות גרפיט), בדרך כלל בעלות מתח תא נמוך יותר מסוללות ליתיום-יון. התא המפורסם של סטנפורד הפיק כ-2.0 וולט news.stanford.edu, בעוד שתא ליתיום-יון הוא ~3.7 וולט נומינלי. זה נובע בחלקו מהכימיה של אינטרקלציית Al³⁺ ומהמגבלות של האלקטרוליט. מתח נמוך אומר שצריך יותר תאים בטור (מה שמוסיף מורכבות ואובדן אנרגיה מסוים) כדי להגיע למתח הרצוי של מארז הסוללה. יש גם את הבעיה של יונים רב-ערכיים כמו Al³⁺, שלהם קינטיקה איטית במוצקים – הזזת יון עם מטען +3 קשה יותר מאשר יון עם מטען +1 כמו Li⁺, ולכן השגת הספק גבוה יכולה להיות מאתגרת אלא אם מעלים את הטמפרטורה או משתמשים באלקטרוליטים מיוחדים nature.com. חלק מהסוללות האלומיניום פועלות היטב רק בטמפרטורות גבוהות (60–100 °C), מה שעלול להקשות על השימוש בהן באלקטרוניקה צרכנית (אף אחד לא רוצה סוללה חמה כל הזמן בטלפון!). החדשות הטובות: חידושים באלקטרוליטים (כמו הוספת מלחים מסוימים או שימוש בתערובות חדשות) משפרים את המוליכות של יון-אלומיניום בטמפרטורות נמוכות יותר nature.com.
דרישות טמפרטורה: כפי שצוין, מספר עיצובים מבוססי אלומיניום ונתרן משתמשים באלקטרוליטים של מלחים מותכים שיש לשמור עליהם חמים. לדוגמה, סוללת אלומיניום-גופרית של MIT פועלת בצורה מיטבית בסביבות 110°C news.mit.edu, ואפילו הגרסה המשופרת פועלת ב-85°C nature.com. אמנם אלה לא טמפרטורות קיצוניות בסטנדרטים תעשייתיים, אך המשמעות היא שמארז הסוללה ידרוש בידוד ואולי גם גוף חימום קטן כדי להישאר בטווח הנכון. זה בסדר לאחסון נייח (כאשר לסוללה בגודל מקרר יש ניהול תרמי), אך מהווה אתגר ליישומים ניידים ולרכבים חשמליים, אלא אם החום יכול להישמר מעצמו (התא של סדווי מתחמם בעצמו במהלך מחזורי טעינה ופריקה כדי לשמור על הטמפרטורה news.mit.edu). פעולה בטמפרטורה גבוהה דורשת גם אטימה חזקה ושיקולי בטיחות (אם כי היתרון הוא שאין סיכון לשריפה). חוקרים פועלים להורדת טמפרטורת ההפעלה ואפילו בוחנים כימיות בטמפרטורת החדר עבור מערכות מבוססות אלומיניום ונתרן nature.com.

להחליף

למחזר

evreporter.com

תוצר הלוואי

הגדלת ייצור ואינטגרציה: לטכנולוגיית ליתיום-יון יש יתרון של 30 שנה עם ייצור המוני, שרשראות אספקה אופטימליות וכוח עבודה מיומן. כל כימיה חדשה של סוללות מתמודדת עם אתגר המעבר מהמעבדה או מפיילוט לייצור בקנה מידה של גיגפקטורי. סוללות אלומיניום וגופרית עשויות לדרוש תהליכי ייצור חדשים (למשל, טיפול בנוזלים יוניים רגישים ללחות או באלקטרוליטים מוצקים, או עיצובים חדשים של תאים כמו האלקטרודות המוערמות של Theion). הגדלת הייצור ללא פגמים ובעלות נמוכה אינה טריוויאלית. יש גם את נושא האינטגרציה – האם הסוללות החדשות יכולות להשתלב במכשירים או רכבים קיימים, או שיש צורך בעיצובים חדשים? פרופילי מתח שונים, צורות פיזיות או תנאי פעולה שונים עשויים לדרוש התאמה מחדש של כל דבר, ממערכות ניהול סוללה ועד עיצוב שלדות ברכב. עלויות המעבר והאי-ודאות הללו עלולות להאט את האימוץ.
סטטוס נוכחי (מוכנות טכנולוגית): אף ש-2024 ו-2025 ראו פריצות דרך גדולות (כפי שנדגיש בהמשך), רבות מהטכנולוגיות של סוללות אלומיניום וגופרית עדיין נמצאות בשלב אב-טיפוס או שלב מסחרי מוקדם. אף אחת מהן לא הגיעה עדיין לפריסה המונית כמו של ליתיום-יון. לדוגמה, תאי ליתיום-גופרית נכנסים כעת לשווקים מוגבלים כמו רחפנים ולוויינים, שם ניתן לסבול או למתן את אורך החיים הקצר שלהם. אלומיניום-גופרית ואלומיניום-יון נמצאות בשלב הדגמה והגדלת ייצור; אין עדיין רכב חשמלי או רשת חשמל עם סוללה גדולה כזו בשירות מלא. המשמעות היא שעדיין קיים סיכון לבעיות בלתי צפויות בשימוש בעולם האמיתי (כמו שליתיום-יון חוותה תקלות של בריחה תרמית בתחילת הדרך). יידרשו זמן, השקעה וככל הנראה מספר איטרציות עד שהטכנולוגיות הללו יהיו אמינות כמו הקיימות. כהערה ספקנית: גם ליתיום-יון משתפרת מדי שנה – עם כימיות חדשות כמו ליתיום-ברזל-פוספט (LFP) וליתיום-מתכת במצב מוצק באופק – כך שסוללות אלומיניום וגופרית חייבות לא רק לעבוד, אלא גם להתחרות בטכנולוגיה קיימת שהולכת ומשתפרת.

לסיכום, סוללות אלומיניום-גופרית טומנות בחובן פוטנציאל אדיר אך מציבות גם אתגרים ייחודיים. החוקרים מודים כי נדרש עוד מחקר; כפי שצוות אחד כתב ב-2022, למרות ההתקדמות, "סוללות Al–S סבלו מקצב טעינה/פריקה נמוך ויציבות מחזורית ירודה" לאורך השנים, מה שמצריך חדשנות מתמשכת באלקטרוליטים ואלקטרודות nature.com. התמודדות עם אתגרים אלו היא בדיוק מה שמעסיק כיום מעבדות רבות וחברות סטארט-אפ.

מי מוביל את המהפכה? השחקנים המרכזיים בפיתוח

התחום המרתק הזה כולל שילוב של מעבדות אקדמיות, סטארט-אפים ותאגידי ענק שדוחפים את הגבולות. הנה כמה מהשחקנים הבולטים ומה שהם עושים:

המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ו-Avanti: MIT הוא מוקד למחקר סוללות חדשני. קבוצתו של פרופ' דונלד סאדוויי ב-MIT הובילה את פיתוח סוללת האלומיניום-גופרית. לאחר פרסום התוצאות פורצות הדרך ב-Nature בשנת 2022, סאדוויי ייסד את Avanti כדי למסחר את הטכנולוגיה news.mit.edu. מטרת Avanti היא להגדיל את ייצור תאי האלומיניום-גופרית לאחסון נייח וליישומים נוספים. סאדוויי ידוע גם כמייסד שותף של Ambri, חברה שמסחררת סוללות מתכת נוזלית (עם כימיות שונות כמו סידן ואנטימון). Ambri מכוונת לאחסון בקנה מידה רשתית ולפי הדיווחים החלה לפרוס מערכות ב-2024 youtube.com. בין Ambri ל-Avanti, החדשנות של סאדוויי עשויה לכסות סוללות ענק לרשת החשמל ועד סוללות קטנות יותר לבניינים או תחנות טעינה לרכבים חשמליים news.mit.edu. ההשפעה של MIT לא נגמרת כאן – חוקרי המכון בוחנים גם סוללות ליתיום-גופרית בפרויקטים שונים, והמוסד משתף פעולה לעיתים קרובות עם מעבדות לאומיות וחברות בטכנולוגיות סוללה מתקדמות.
אוניברסיטת סטנפורד ו-SLAC: סטנפורד עוררה עניין מוקדם בסוללות אלומיניום-יון (אב הטיפוס של סוללת Al-ion הנטענת במהירות מ-2015 news.stanford.edu). עבודה זו, בהובלת פרופ' הונגג'י דאי, הראתה שקתודה פשוטה מגרפיט יכולה לאפשר סוללת אלומיניום נטענת. סטנפורד ממשיכה לעסוק במחקר סוללות; לדוגמה, SLAC (מעבדת המאיץ הליניארי של סטנפורד) חקרה קתודות חדשניות לסוללות אלומיניום כמו סולפידים מתכתיים nature.com, ועסקה בכימיה בין-ממשקית לשיפור מחזוריות הסוללה. אמנם התגלית של סטנפורד מ-2015 עדיין לא הפכה למוצר מסחרי, אך היא הדגימה היתכנות וזכתה לאזכורים רבים במחקרים שבאו אחריה. היא גם הדגישה את רוח המחקר הפתוח של סטנפורד שמוביל לאימוץ תעשייתי (חלק מבוגרי תחום הסוללות בסטנפורד הצטרפו לסטארט-אפים או הקימו כאלה בעצמם בזירת הסטארט-אפים של הסוללות באזור המפרץ).
Graphene Manufacturing Group (GMG) ואוניברסיטת קווינסלנד: באוסטרליה, GMG (בשיתוף עם אוניברסיטת קווינסלנד) מפתחת סוללת אלומיניום-יון עם גרפן. הם דיווחו על ביצועים מרשימים באבות-טיפוס של תאי-מטבע – עם טעינה מהירה במיוחד וחיי מחזור ארוכים – תוך שימוש בגרפן (צורה של פחמן) כחומר קתודה בקונפיגורציית אלומיניום-יון batteriesnews.com. GMG שואפת להרחיב את הטכנולוגיה שלהם לתאי פאוץ' המתאימים לאלקטרוניקה צרכנית או רכבים חשמליים, ולפי סוף 2022 היה להם תוכנית פיתוח וקו ייצור פיילוט בתהליך graphenemg.com. הגישה שלהם מדגישה את הסינרגיה של ננו-חומרים (גרפן) עם כימיות חדשות כמו אלומיניום-יון להשגת תוצאות טובות יותר.
פינרג'י וחברת Indian Oil (IOC): פינרג'י היא סטארט-אפ ישראלי שהיה חלוץ בתחום סוללות אלומיניום-אוויר במשך יותר מעשור. הם התפרסמו כאשר הניעו רכב הדגמה למרחק של 1,100 מייל באמצעות אלומיניום-אוויר בשנת 2014, ומאז התמקדו במוצרים אמיתיים לגיבוי חשמל ולהארכת טווח לרכבים חשמליים. פינרג'י חברה ל-Indian Oil Corporation להקמת מיזם משותף (IOC Phinergy) שמביא את טכנולוגיית האלומיניום-אוויר לשוק ההודי – שוק פוטנציאלי עצום למדינה השואפת למצוא חלופות לנפט ולנצל את תעשיית האלומיניום שלה. בתחילת 2023, IOC Phinergy הציגה את הרכב ההודי הראשון המונע באלומיניום-אוויר והחלה להקים תשתית לייצור ולמיחזור לוחות alcircle.com. גם ממשלת הודו הביעה עניין, שכן אלומיניום-אוויר עשוי להפחית את התלות בליתיום מיובא. הטכנולוגיה של פינרג'י כבר בשימוש מסחרי בגיבוי למגדלי תקשורת (החלפת גנרטורים דיזל במערכות אלומיניום-אוויר ללא פליטות) evreporter.com, והם עובדים עם יצרני רכב כמו מהינדרה על שילוב ברכבים (למשל, צי ניסוי של ריקשות ואוטובוסים חשמליים המשתמשים באלומיניום-אוויר להארכת טווח) evreporter.com. ההתקדמות של פינרג'י חשובה במיוחד כי היא מהראשונות שהוציאה סוללה מבוססת אלומיניום מהמעבדה ליישומים מעשיים בשטח.

סוללת ליתיום-גופרית

מפעל הגיגה הראשון בעולם לסוללות ליתיום-גופרית

lyten.com

מיקרומוביליטי, תעופה וחלל, רחפנים וביטחון

lyten.com

המשקל הקל של הסוללות והיעדר מינרלים ממקורות שנויים במחלוקת

lyten.com

"ליתיום-גופרית היא קפיצה בטכנולוגיית הסוללות, מספקת סוללה קלת משקל ובעלת צפיפות אנרגיה גבוהה, המיוצרת מחומרים מקומיים זמינים בשפע"

lyten.com

משנה משחק

גופרית גבישית

reuters.com

רכבים חשמליים, "מוניות מעופפות" או אגירת אנרגיה

reuters.com

Argonne National Laboratory & U.S. DOE: בתחום המחקר הציבורי, Argonne (יחד עם מעבדות נוספות של משרד האנרגיה האמריקאי כמו Oak Ridge ו-Pacific Northwest) עוסקת באופן פעיל במחקר סוללות גופרית. דנו בהישג של Argonne בעיצוב interlayer לתאי ליתיום-גופרית anl.gov. הם גם בוחנים סוללות גופרית במצב מוצק בשיתוף פעולה עם נאס"א לתעופה. משרד טכנולוגיות הרכב של DOE מימן מספר פרויקטים בתחום ליתיום-גופרית, מגנזיום-גופרית, ואפילו ליתיום-אוויר ואלומיניום-אוויר, מתוך הכרה בחשיבות האסטרטגית של כימיות הדור הבא. מעבדות לאומיות משתפות לעיתים קרובות פעולה עם אוניברסיטאות (למשל, Argonne עבדה עם צוות שכלל את אוניברסיטת אילינוי על interlayers מגופרית) ומשתפות ממצאים שסטארט-אפים יכולים להמשיך לפתח. לדוגמה, חלק גדול מההבנה של התנהגות פוליסולפידים ואפיון מתקדם (באמצעות כלים כמו Advanced Photon Source של Argonne לניתוח X-ray של סוללות anl.gov) מגיע ממעבדות אלו.
אחרים בולטים: אוניברסיטאות כמו אוניברסיטת מונאש (אוסטרליה) זכו לכותרות ב-2020 עם סוללת ליתיום-גופרית שנטען כי יכולה להפעיל סמארטפון במשך חמישה ימים והפגינה יציבות מצוינת בזכות קלסר ועיצוב אלקטרודה חדשניים advancedsciencenews.com. מאז, מונאש עבדה גם על טעינה מהירה של ליתיום-גופרית, במטרה לשימוש בתעופה חשמלית monash.edu. בבריטניה, Oxis Energy (שכבר אינה פעילה) הייתה חלוצה בתחום ליתיום-גופרית; לפני סגירתה ב-2021, Oxis פיתחה תאי ליתיום-גופרית שהתקרבו ל-400 Wh/kg ועבדה עם יצרני מטוסים. הקניין הרוחני שלה נרכש על ידי גופים אחרים, וייתכן שהוא תורם לפרויקטים חדשים. האקדמיה והתעשייה הסיניות פעילות מאוד – מוסדות כמו האקדמיה הסינית למדעים, אוניברסיטת ווהאן לטכנולוגיה (שכתבה יחד את המאמר של סדוויי על אלומיניום-גופרית news.mit.edu), וחברות כמו CATL חוקרות כימיות של גופרית ואלומיניום, אם כי לעיתים פרטים נשמרים בסוד. אפילו ב-Battery Day של טסלה ב-2020 רמזו על עניין בגופרית (אילון מאסק התבדח על כך שטסלה חוקרת "ליתיום וגופרית" מבלי לפרט, ייתכן שלפרויקטים עתידיים). לבסוף, נאס"א ו-בואינג בוחנות ליתיום-גופרית לתעופה: פרויקט SABERS של נאס"א פיתח סוללת גופרית רב-שכבתית שהגיעה ל-500 Wh/kg, מה שעשוי לאפשר מטוסים חשמליים או רחפנים מתקדמים businessaviation.aero.

ברור שמערכת אקולוגית גלובלית של חדשנים דוחפת קדימה את תחום סוללות האלומיניום והגופרית – מסטארטאפים נמרצים ועד למעבדות לאומיות ותיקות. סביר להניח שבשנים הקרובות (2025–2030) נראה חלק מהמאמצים הללו נושאים פרי בדמות מוצרים אמיתיים ופרויקטי פיילוט.

פריצות דרך וחדשנות עדכנית (2024–2025)

התקופה שבין 2024 ל-2025 הייתה מרגשת במיוחד עבור פיתוחי סוללות אלומיניום וגופרית, עם מספר פריצות דרך בולטות:

ינואר 2024 – אלומיניום-גופרית ב-85 °C (Nature Communications): חוקרים הדגימו סוללת אלומיניום–גופרית חדשה שפועלת ב-85 מעלות צלזיוס עם אלקטרוליט מלח מותך קווטרנרי, שפורסם ב-Nature Communications nature.com. סוללה זו הציגה יכולת טעינה מהירה ועמידות מפתיעה: היא שמרה על 85.4% מהקיבולת שלה לאחר 1,400 מחזורי טעינה בקצב טעינה של 1C nature.com. חשוב לציין כי 85 מעלות צלזיוס מהווה שיפור משמעותי לעומת סוללות מלח מותך קודמות שנדרשו ל-110–180 מעלות צלזיוס nature.com. הצוות השיג זאת על ידי גיבוש תערובת מיוחדת של מלחים (כלורואלוּמינטים אלקליים) עם נקודת התכה נמוכה, שאפשרה גם תנועת יוני אלומיניום מהירה nature.com. הם השתמשו גם ב-קתודה פחמן נקבובי עם דופינג חנקן שסייעה לתגובות הגופרית להתרחש במהירות nature.com. תוצאה זו משמעותית כי היא מצביעה על סוללות רשת פרקטיות וזולות שיכולות לפעול עם חימום פשוט (אפילו רק מים חמים כמקור חום, כפי שמציינים המחברים nature.com) ולספק טעינה מהירה ללא התדרדרות. זהו צעד נוסף בדרך להפיכת קונספט סוללת Al-S של MIT לידידותי ונייד יותר למשתמש.

גיגמפקטורית סוללות ליתיום-גופרית בנבדה

lyten.com

ראשון בעולם

lyten.com

2024 ו-2025

lyten.com

סיגנל משמעותי לתעשיית הסוללות

"מאחסנת יותר אנרגיה אך עולה הרבה פחות מסוללות ליתיום-יון קונבנציונליות."

reuters.com

צפיפות אנרגיה פי שלושה

שליש מהעלות ושליש מפליטת ה-CO₂

reuters.com

לא רק אחד

כמה

2023 – 2024 – פתרון פאזל מחזור החיים של גופרית: במהלך 2023 ואל תוך 2024, מספר קבוצות מחקר פרסמו התקדמויות בהארכת מחזור החיים של סוללות גופרית. אחד ההישגים הבולטים היה מחקר בהובלת Argonne (פורסם באוגוסט 2022 ב-Nature Communications) שהדגים כי שכבת ביניים פעילה רדוקסית יכולה לשפר באופן דרמטי את היציבות של סוללת ליתיום-גופרית anl.gov. בתחילת 2023, הם דיווחו כי גישה זו מניבה תאים השומרים על קיבולת גבוהה לאורך מאות מחזורים anl.gov, ומקרבת את ליתיום-גופרית ליישום יומיומי. באמצע 2024, צוות נוסף דיווח על סוללת ליתיום-גופרית מתקפלת וגמישה המשתמשת בקתודה מיוחדת של ברזל סולפיד, שיכולה אפילו לעמוד בחיתוך מבלי להיכשל acs.org – פתרון חדשני לאלקטרוניקה לבישה או גמישה המשתמשת בליתיום-גופרית. החידושים ההדרגתיים הללו חשובים: הם מטפלים בבעיות המעשיות (כמו ניהול פוליסולפידים, מתחים מכניים וכו') אחת אחת. כל שיפור מקרב את תאי ליתיום-גופרית לעמידה בדרישות המחמירות של אלקטרוניקה ורכבים מסחריים.
2024 – זינוק במחקר ופיתוח סוללות אלומיניום: בצד של האלומיניום, סוף 2024 ראה גם מחקר מעניין. מדענים חקרו חומרי קתודה חדשים לסוללות יון-אלומיניום, כמו קובלט סולפיד, כדי להשיג קיבולת גבוהה יותר והבנה טובה יותר של מנגנוני אגירת המטען nature.com. יש גוף מחקר הולך וגדל על סוללות "רב-ערכיות" (כולל אלומיניום, מגנזיום, אבץ) שלעיתים חולקות אתגרים ופריצות דרך – למשל, אלקטרוליטים משופרים שעוזרים למערכת אחת יכולים לעיתים להיות מיושמים גם באחרת advanced.onlinelibrary.wiley.com. אנו רואים גם מדינות כמו הודו משקיעות בטכנולוגיית סוללות אלומיניום, לא רק דרך סוללת אלומיניום-אוויר של Phinergy אלא גם במחקר אקדמי ליצירת סוללת אלומיניום נטענת המתאימה לתנאים בהודו (עם מימון ממשלתי לפרויקטים במסגרת משימת אגירת האנרגיה הלאומית). למרות שאלה עדיין לא הגיעו לכותרות עולמיות, הן תורמות למומנטום שנבנה סביב סוללות אלומיניום ברחבי העולם.
אותות מדיניות ושוק: סיפורי הפריצה אינם רק טכניים. בשנים 2024–2025, אנו רואים אותות שוק חזקים התומכים בסוללות החדשות הללו. חוק הפחתת האינפלציה (IRA) של ממשלת ארה"ב ומדיניות נוספות מעודדים שרשראות אספקה מקומיות לסוללות – מה שמועיל לכימיות שניתן לייצר עם חומרים שמקורם מקומי כמו גופרית (ארה"ב מייצרת הרבה גופרית מזיקוק נפט) ואלומיניום. מפעל הגיגה של Lyten בנבדה והעניין של מחלקת ההגנה האמריקאית בסוללות ליתיום-גופרית קלות משקל לחיילים או לוויינים הם תוצאות של תמריצים אלו lyten.com. באירופה, הדחיפה לקיימות הופכת סוללה ללא קובלט וללא ניקל לאטרקטיבית מאוד, ולכן מימון האיחוד האירופי לפרויקטים כמו Theion ואחרים. אפילו בסין, שם ייצור ליתיום-יון שולט, היו תוכניות בתמיכת המדינה ל"סוללות הדור הבא" (למשל, לפי הדיווחים CATL עובדת על סוללת נתרן-יון + גופרית היברידית להשקה סביב 2023/24 לאחסון נייח). כל המגמות הללו מצביעות על כך שזהו הזמן הנכון לסוללות אלומיניום וגופרית – העולם מחפש פתרונות, והטכנולוגיה מדביקה את הצרכים הללו.

במהות, השנתיים האחרונות הפכו את סוללות האלומיניום והגופרית מסקרנות מעבדה נישתית למתמודדות רציניות לעתיד אגירת האנרגיה. כפי שאמר מדען אחד במדויק, "אנחנו צעד אחד קרוב יותר לראות את הטכנולוגיה הזו בחיי היומיום שלנו." anl.gov ההתקדמות צעד-אחר-צעד הזו היא בדיוק מה שמתרחש כעת, והצעד הבא יהיה מסחור רחב יותר והגדלת קנה המידה של החידושים הללו.

יישומים פוטנציאליים והשפעה על אנרגיה נקייה ורכבים חשמליים

עליית סוללות האלומיניום והגופרית עשויה להשפיע על מגוון רחב של מגזרים. הנה כמה מהיישומים המבטיחים ביותר והשלכותיהם:

🏠 אגירת אנרגיה מתחדשת (רשת ובית): ייתכן שההשפעה הגדולה ביותר בטווח הקצר תהיה באגירת אנרגיה נייחת לאנרגיה נקייה. אחד האתגרים הגדולים של אנרגיה מתחדשת (שמש, רוח) הוא אי-העקביות – השמש והרוח אינן זמינות 24/7, ולכן אנו זקוקים לסוללות ענקיות וזולות לאגירת אנרגיה לזמנים שבהם אין ייצור. סוללות ליתיום-יון החלו להיכנס לשימוש לאגירה ברשת, אך הן עדיין יקרות יחסית ותלויות בחומרים מיובאים. סוללות אלומיניום-גופרית ונתרן-גופרית, עם הרכיבים הזולים מאוד שלהן, עשויות להוזיל משמעותית את עלות אגירת קילוואט-שעה. סדווי מ-MIT כיוון במיוחד לקנה מידה ביתי ושכונתי עם סוללת Al-S שלו – "הגודל הנדרש להפעלת בית בודד או עסק קטן עד בינוני" (בסדר גודל של עשרות קוט"ש) news.mit.edu. סוללות כאלה יאפשרו לבעלי בתים עם פאנלים סולאריים לאגור אנרגיה יומית לשימוש לילי בזול, או לעסקים קטנים להחזיק גיבוי חשמל ללא גנרטור דיזל. בקנה מידה גדול יותר, חברות חשמל יוכלו לפרוס מערכים עצומים של סוללות מבוססות אלומיניום או נתרן-גופרית כדי לאזן את ייצור האנרגיה המתחדשת. הצוות מאוניברסיטת סידני ציין כי סוללת Na-S הזולה שלהם יכולה "להפחית משמעותית את עלות המעבר לכלכלה דלת פחמן" על ידי מתן אגירה משתלמת sydney.edu.au. במקומות שבהם אין גאוגרפיה מתאימה לאגירת מים בשאיבה, הפתרונות האלקטרוכימיים הללו הם המפתח. בנוסף, מכיוון שהסוללות החדשות הללו אינן דליקות (חשוב לבטיחות קהילתית) ומשתמשות בחומרים זמינים בשפע, ניתן לייצר ולהתקין אותן באזורים רבים באופן מקומי – מה שמחזק את ביטחון האנרגיה. בסך הכול, פריסה רחבה של סוללות נייחות מאלומיניום/גופרית תאפשר חדירה גבוהה יותר של אנרגיה מתחדשת, תצמצם הפחתה (בזבוז שמש/רוח בשל חוסר אגירה), ותסייע לייצב את הרשת עם חשמל נקי וגמיש.
🚗 רכבים חשמליים (EVs): סוללות קלות יותר ובעלות אנרגיה גבוהה יותר הן הגביע הקדוש של רכבים חשמליים ואפילו תעופה חשמלית. סוללות ליתיום-גופרית אטרקטיביות במיוחד כאן. חבילת Li-S יכולה להאריך באופן דרמטי את טווח הנסיעה של רכב חשמלי מבלי להוסיף משקל – או לחלופין, לאפשר את אותו טווח עם סוללה קלה בהרבה, מה שמשפר את היעילות. לדוגמה, אם רכב חשמלי כיום זקוק לסוללת ליתיום-יון במשקל 600 ק"ג עבור טווח של 300 מייל, סוללת Li-S בצפיפות אנרגיה כפולה עשויה להשיג זאת עם כ-300 ק"ג, מה שמפחית משמעותית את משקל הרכב. זה משפר תאוצה, התנהגות כביש, ומפחית את צריכת האנרגיה לכל מייל. זה גם יכול להפוך את המשאיות והאוטובוסים החשמליים לברי קיימא יותר על ידי שחרור משקל מטען. חברות כמו Oxis Energy (לפני שנסגרה) ו-Sion Power עבדו עם שותפים בתחום התעופה והרכב על חבילות אב-טיפוס של Li-S למטוסים ארוכי טווח ורכבים חשמליים. למעשה, תאי Li-S המוקדמים של Sion Power הניעו לוויין-דמה בגובה רב (מטוס סולארי בלתי מאויש) ששבר שיאי משך טיסה בעשור הקודם. לאחרונה, נאס"א ואיירבוס בחנו את Li-S כאחת הדרכים היחידות להגיע ל-500 Wh/kg הנדרש למטוסי נוסעים חשמליים מעשיים businessaviation.aero – הצלחת פרויקט SABERS שלהם מרמזת על מטוסים אזוריים חשמליים באופק המשתמשים בסוללות גופרית. מוניות מעופפות ורחפנים חשמליים ירוויחו גם הם; Theion ציינה במפורש כלי טיס מעופפים כיעד reuters.com. מעבר ל-Li-S, אפילו לסוללות אלומיניום-אוויר יש תפקיד ברכבים חשמליים: הן יכולות לשמש כ-מודול מאריך טווח שמפעילים בנסיעות ארוכות. דמיינו רכב חשמלי עם סוללת ליתיום-יון קטנה לנסיעות יומיומיות ו"סוללת עזר" אלומיניום-אוויר שמטעינים (מחליפים אלומיניום) רק בנסיעות של 1,000 ק"מ. אדריכלות סוללות היברידית כזו נשקלת בפרויקטים של Indian Oil/Phinergy ואחרים. יש לציין שרכבים חשמליים עיקריים לא יעברו לכימיה חדשה בן לילה – יש להוכיח בטיחות, אורך חיים וטעינה מהירה – אך בסוף שנות ה-2020, סביר שמודלים יוקרתיים או רכבים ייעודיים יגיעו עם סוללות מהדור הבא. אם זה יקרה, זה עשוי לדחוף את ביצועי הרכבים החשמליים לגבהים חדשים (טווחים של 500+ מייל, טעינה מהירה מאוד, רכבים קלים יותר) ולהפחית את התלות במינרלים קריטיים, ובכך לאפשר אימוץ רכבים חשמליים בקנה מידה רחב יותר ללא צווארי בקבוק במשאבים.
📱 אלקטרוניקה ניידת ומכשירים לבישים: הסמארטפון או הלפטופ העתידי שלך עשויים גם הם להרוויח מסוללות גופרית או אלומיניום, אם כי יישומים אלה דורשים אורך חיים ארוך ומעט פריקה עצמית (תחומים שבהם ליתיום-יון מצטיין כיום). סוללת ליתיום-גופרית יכולה לגרום לטלפון שלך לפעול ימים בין טעינות – זכור את הקונספט של אוניברסיטת מונאש לטלפון שמחזיק 5 ימים על סוללת Li-S advancedsciencenews.com. החיסכון במשקל פחות קריטי לטלפון, אבל צפיפות האנרגיה כן. אתגר אחד כאן הוא שמכשירי צריכה מצפים למאות מחזורי טעינה ושנים של אורך חיים; ל-Li-S יידרש עוד שיפור כדי לעמוד בכך. ובכל זאת, ייתכן שנראה גאדג'טים נישתיים או מכשירים לבישים מאמצים אותם אם הם מציעים יתרונות בעיצוב. סוללות אלומיניום, במיוחד העיצובים הגמישים כמו של סטנפורד, עשויות לאפשר גאדג'טים מתקפלים או נגללים. לדוגמה, סוללת אלומיניום-יון שהיא גמישה יכולה להשתלב ברצועה של שעון חכם או בביגוד חכם. בנוסף, מכיוון שניתן לייצר Al-ion בצורה מאוד בטוחה (ללא סיכון שריפה), אפשר לשלב אותן במכשירים ללא מארזי הגנה מגושמים, ואולי אף לאפשר עיצוב תעשייתי יצירתי יותר. אלה רעיונות ספקולטיביים, אך ככל שהייצור ישתפר, אלקטרוניקה צרכנית עשויה להיות שוק חשוב (הרי זה היה המנוע לצמיחה הראשונית של ליתיום-יון בשנות ה-90).
⚡ תשתית טעינה מהירה: יישום פחות ברור אך חשוב הוא שימוש בסוללות החדשות הללו כדי לאפשר טעינה מהירה לרכבים חשמליים ולייצב את הרשת. כפי שפרופסור סאדוויי ציין, אם הרבה רכבים חשמליים מנסים להיטען בבת אחת (כמו מספר מכוניות בתחנת מנוחה בכביש מהיר), הביקוש לחשמל מזנק מעבר למה שהרשת יכולה לספק בקלות news.mit.edu. במקום לשדרג קווי חשמל, התקנת מאגר סוללות בתחנות טעינה היא חכמה יותר – הסוללה נטענת לאט מהרשת ואז פורקת במהירות כוח למכוניות כשצריך. עבור סוללות מאגר כאלה, עלות ובטיחות הן קריטיות, והמשקל פחות חשוב. זה הופך את סוללות אלומיניום-גופרית או נתרן-גופרית למועמדות אידיאליות. הן יושבות באתר, מאחסנות אנרגיה בזול, לא יתלקחו, ויכולות לשחרר מטען במהירות. סאדוויי אף ציין שמערכות Al-S יכולות "לבטל את הצורך בהתקנת קווי חשמל יקרים" עבור אשכולות של מטענים מהירים news.mit.edu. למעשה, סוללות אלו יכולות לשמש כ-בולמי זעזועים לרשת החשמל, לספוג עודפי אנרגיה ולשחרר אותה לפי דרישה, בין אם זה לגלי טעינה של רכבים חשמליים או לאיזון תנודות בייצור מאנרגיה מתחדשת.
🏭 גיבוי תעשייתי ומסחרי: בדיוק כפי שמגדלי תקשורת משתמשים באלומיניום-אוויר לגיבוי חשמל, תעשיות ומתקנים מסחריים אחרים יכולים להשתמש בסוללות אלומיניום או גופרית כדי להבטיח אמינות ולהפחית תלות בגנרטורים דיזל. מרכזי נתונים, למשל, זקוקים לסוללות בטוחות, עם חיי המתנה ארוכים, וכלכליות בקנה מידה גדול – ניתן לדמיין חדרי סוללות נתרן-גופרית מחליפים את מערכי הליתיום-יון או עופרת-חומצה המשמשים כיום ל-UPS (אספקת חשמל בלתי מופרעת). באתרים מרוחקים או מנותקים מהרשת, סוללות זולות שאינן דורשות החלפה תכופה הן בעלות ערך רב (פחות נסיעות תחזוקה). סוללות אלומיניום-גופרית, שמוערכות כבעלות עלות נמוכה מאוד לקוט"ש, עשויות לאפשר מיקרו-רשתות בקהילות כפריות או באיים, יחד עם שמש/רוח, כדי לספק חשמל 24/7 מבלי לקרוע את הכיס.
🚀 תעופה וחלל והגנה: הביצועים הגבוהים של סוללות אלו מושכים באופן טבעי יישומים בתעשיות התעופה, החלל והביטחון. כפי שצוין, לוויינים ומל"טים בגובה רב (פסאודו-לוויינים) השתמשו בהצלחה ב-Li-S בזכות משקלם הקל וביצועים טובים בטמפרטורות נמוכות (סוללות חלל פועלות לעיתים קרובות בקור). הצבא האמריקאי מתעניין בסוללות קלות יותר לחיילים (כדי להקל על נשיאת קילוגרמים רבים של סוללות ליתיום-יון) – סוללת גופרית יכולה להקל משמעותית את המשקל הזה. בנוסף, מכיוון שלסוללות גופרית אין תרכובות המשחררות חמצן (בניגוד לליתיום-יון שעלול לשחרר O₂ במקרה של בריחה תרמית), הן עשויות להיות בטוחות יותר בסביבות סגורות כמו צוללות או חלליות. אלומיניום-אוויר יכול לשמש מקור כוח תת-ימי לצוללות בלתי מאוישות ארוכות טווח, כאשר תדלוק באלומיניום הוא אפשרי. תחום הביטחון נוטה לאמץ טכנולוגיות חדשות בשלבים מוקדמים, כך שהשקעתו בטכנולוגיות סוללות אלומיניום וגופרית יכולה להאיץ את הפיתוח. למעשה, המעורבות הראשונית של Lyten בשנים 2024–25 עם שוקי ה-חלל, רחפנים וביטחון מרמזת שחוזי ביטחון מסייעים להוכיח את הטכנולוגיה lyten.com לפני שימוש נרחב יותר בצרכנות.

בכל היישומים הללו, ההשפעה המרכזית היא האצת המעבר לאנרגיה נקייה והרחבתו. על ידי הפחתת עלויות הסוללות ושחרור מהתלות בשרשרת האספקה של ליתיום-יון, סוללות אלומיניום וגופרית עשויות להפוך רכבים חשמליים לנגישים ליותר אנשים (קריטי להפחתת פליטות מתחבורה), להפוך אנרגיה מתחדשת לאמינה ונפוצה יותר (קריטי להפחתת פליטות מייצור חשמל), ואפילו לאפשר אפשרויות חדשות כמו טיסה חשמלית. יש להן גם יתרונות סביבתיים בשימוש: לדוג', החלפת גנרטורי דיזל לגיבוי בסוללות אלומיניום-אוויר או נתרן-גופרית מפחיתה זיהום אוויר מקומי ופליטות CO₂. אם הטכנולוגיה תקיים את הבטחתה, העולם עשוי לראות מכוניות חשמליות זולות יותר, רשתות חשמל נקיות ועמידות יותר, והפחתה בכריית מתכות נדירות – לולאת משוב חיובית לכלכלה ולסביבה גם יחד.

השלכות כלכליות וסביבתיות

מנקודת מבט כלכלית, סוללות אלומיניום וגופרית עשויות להיות משבשות בצורה הטובה ביותר: על ידי הורדת עלות אגירת האנרגיה וגיוון שרשרת האספקה. סוללה מהווה חלק משמעותי מעלות רכב חשמלי או מערכת אנרגיה מתחדשת, ולכן סוללות זולות יותר משמעותן מוצרים זולים יותר ואימוץ מהיר יותר. אנליסטים ציינו שחומרים כמו אלומיניום וגופרית עולים שבריר קטן מעלות ליתיום, ניקל או קובלט. לדוגמה, הערכה אחת העמידה את עלות החומרים של תאי אלומיניום-גופרית בכ-15% בלבד מעלות תא ליתיום-יון מקביל news.mit.edu. אם החיסכון הזה יתורגם לייצור, ייתכן שנראה את מחירי הסוללות (לפי קוט"ש) יורדים הרבה מתחת לעקומת הלמידה הנוכחית של ליתיום-יון. אגירה זולה עשויה אז להניע צמיחה כלכלית על ידי אפשרות למודלים עסקיים חדשים (כמו חוות סולאריות נוספות, פרויקטי אגירה קהילתיים וכו') ועל ידי הפחתת עלויות האנרגיה לצרכנים (דמיינו טעינת סוללת הבית שלכם כל אחר הצהריים מהשמש ולעולם לא לשלם תעריפי שיא לרשת).

יש גם היבט גיאופוליטי: ייצור סוללות ליתיום-יון כיום מרוכז מאוד (כאשר סין שולטת בייצור התאים ומדינות כמו קונגו מספקות מינרלים מרכזיים). אלומיניום, לעומת זאת, מותך ברחבי העולם (ומיחזור מספק גם מקור מקומי), וגופרית מצויה בשפע. מדינות רבות שאין להן משאבי ליתיום כן מחזיקות תעשיות אלומיניום חזקות (למשל הודו, כפי שראינו עם IOC Phinergy). לכן, סוללות מבוססות אלומיניום עשויות לאפשר ליותר מדינות להקים תעשיות סוללות מקומיות מבלי להסתמך על ייבוא ליתיום או קובלט. גיוון זה עשוי להפחית את סיכוני שרשרת האספקה העולמית ולהפוך את המעבר לניידות חשמלית ואנרגיה מתחדשת לעמיד יותר בפני מחסור או אי יציבות פוליטית. בנבדה, המפעל המתוכנן של Lyten הוא דוגמה – שימוש בגופרית שמקורה בארה"ב והרכבת סוללות באופן מקומי lyten.com תואם למדיניות של ייצור סוללות מקומי ויצירת מקומות עבודה (הם צופים 1,000 משרות בקנה מידה מלא במפעל אחד זה lyten.com).

בצד הסביבתי, לסוללות אלו יתרונות רבים:

טביעת רגל פחמנית נמוכה יותר: ייצור סוללות דורש הרבה אנרגיה, אך סוללות גופרית ואלומיניום ניתנות לייצור בתהליכים פחות אקזוטיים. זיקוק קובלט וניקל הוא בעל טביעת פחמן גבוהה במיוחד. על ידי הוצאתם מהמשוואה, יצרנים יכולים להוריד את פליטת ה-CO₂ לכל קוט"ש סוללה. Theion טענו להפחתה של שני שלישים בטביעת הרגל הפחמנית של סוללות הגופרית שלהם לעומת ליתיום-יון reuters.com. בנוסף, ניתן להשיג גופרית כתוצר לוואי (למעשה ללא עלות פחמן נוספת), ומיחזור אלומיניום צורך רק כ-5% מהאנרגיה של ייצור אלומיניום ראשוני – כך ששימוש באלומיניום ממוחזר בסוללות יפחית מאוד את האנרגיה הגלומה בהן.

פחות פסולת אלקטרונית רעילה

לדמוקרטיזציה של אגירת אנרגיה

הצלחה הכלכלית

סיכום: עתיד מזהיר מונע על ידי יסודות נפוצים

סוללות אלומיניום וגופרית, שבעבר נחשבו לטכנולוגיות שוליות, מתקרבות במהירות למציאות מסחרית. סוללות אלו ממחישות רעיון משכנע: להשתמש במרכיבים פשוטים ושכיחים כדי לפתור בעיות אנרגיה מורכבות. בשנים האחרונות, התקדמות בכימיה ובמדעי החומרים קירבה את הרעיון הזה להגשמה. כיום יש לנו אבות-טיפוס של תאי אלומיניום-גופרית שנטענים במהירות תוך דקות ופועלים אלפי מחזורי טעינה nature.com, סוללות ליתיום-גופרית שמגיעות לצפיפויות אנרגיה שעד לפני עשור היו בגדר חלום reuters.com, ואפילו מערכות אלומיניום-אוויר שמתחילות לפעול בשטח ומספקות אנרגיה נקייה evreporter.com.

מעבר מהתלות במתכות נדירות ויבוא יקר, לעבר סוללות המיוצרות מיסודות "במחירי רצפה" כמו אלומיניום וגופרית, עשוי לשנות את תעשיית הסוללות כפי שסיליקון שינה את תעשיית האלקטרוניקה – לאפשר ייצור המוני והוזלה משמעותית. כפי שסאדוויי התבדח, לסוללות החדשות הללו יש "כל מה שהיית חולם שסוללה תכלול: אלקטרודות זולות, בטיחות טובה, טעינה מהירה, גמישות וחיי מחזור ארוכים" news.stanford.edu. עדיין יש בעיות לפתור, אך הכיוון ברור.

בשנים הקרובות, צפויים דיווחים על פריסות ניסוי (אולי חוות סולארית בקליפורניה שתשתמש בתאי אלומיניום-גופרית של MIT, או רחפן המונע על ידי חבילת ליתיום-גופרית של Lyten שישבור שיאי סיבולת). ככל שהייצור יוגבר, העלויות צפויות לרדת עוד, וכל הפערים הטכניים שנותרו – בין אם חיי מחזור או טמפרטורת עבודה – כנראה ייפתרו בזכות המחקר האינטנסיבי המתקיים כיום ברחבי העולם.

עבור הציבור הרחב, ההשפעה תורגש אולי בדרכים עדינות אך חשובות: רכב חשמלי זול יותר שנוסע רחוק יותר, סמארטפון שנשאר טעון כל סוף השבוע, שכונה שממשיכה לפעול על סוללה כאשר סערה מפילה את רשת החשמל, והידיעה שכל זה מתבצע עם חומרים נפוצים כמו נייר אלומיניום ודשן גינות (גופרית). התיאבון העולמי לסוללות רק הולך וגדל, וטכנולוגיות אלומיניום וגופרית מבטיחות שנוכל לספק אותו באופן בר-קיימא.

"תוצאות אלו מדגימות … השפעה עצומה על פיתוח [הסוללות]. אנחנו צעד אחד קרוב יותר לראות את הטכנולוגיה הזו בחיי היומיום שלנו."

anl.gov

מקורות: המידע והציטוטים בדיווח זה נלקחו ממקורות אמינים ועדכניים, כולל מחקרים שעברו ביקורת עמיתים, הודעות לעיתונות של אוניברסיטאות, חדשות תעשייה ודיווחים של רויטרס. מקורות עיקריים כוללים את MIT News על סוללת האלומיניום-גופרית news.mit.edu, פריצות הדרך של Argonne National Lab בתחום ליתיום-גופרית anl.gov, סיקור רויטרס על ההתפתחויות של Theion ו-Lyten reuters.com, lyten.com, וראיונות עם מובילי תעשייה (למשל, מנכ"ל Phinergy על יתרונות האלומיניום-אוויר evreporter.com). מקורות אלו ואחרים המצוטטים לאורך הטקסט מספקים ראיות תומכות מפורטות לטענות המובאות.

טביעת רגל פחמנית נמוכה יותר: ייצור סוללות דורש הרבה אנרגיה, אך סוללות גופרית ואלומיניום ניתנות לייצור בתהליכים פחות אקזוטיים. זיקוק קובלט וניקל הוא בעל טביעת פחמן גבוהה במיוחד. על ידי הוצאתם מהמשוואה, יצרנים יכולים להוריד את פליטת ה-CO₂ לכל קוט"ש סוללה. Theion טענו להפחתה של שני שלישים בטביעת הרגל הפחמנית של סוללות הגופרית שלהם לעומת ליתיום-יון reuters.com. בנוסף, ניתן להשיג גופרית כתוצר לוואי (למעשה ללא עלות פחמן נוספת), ומיחזור אלומיניום צורך רק כ-5% מהאנרגיה של ייצור אלומיניום ראשוני – כך ששימוש באלומיניום ממוחזר בסוללות יפחית מאוד את האנרגיה הגלומה בהן.

פחות פסולת אלקטרונית רעילה

לדמוקרטיזציה של אגירת אנרגיה

הצלחה הכלכלית