חוקר מהיר להפעיל את כל האפשרויות של סיליקון בסוללות

פי עשרה יותר קיבולת אחסון מאשר גרפיט, החומר ששימש עד כה בסוללות ליתיום-יון כדי לקדם טעינה. זו הסיבה להקרנת השימוש בסיליקון בשנים הקרובות, הן ב'סמארטפונים' והן במכשירים וכן באנודות של סוללות רכב (מגזר בו פולקסווגן הודיעה זה עתה על בנייתו הקרובה של מפעל ג'יגה בסאגונטו לייצור סוללות למכוניות חשמליות, עם יצור צפוי של 3.000 מקומות עבודה). וחברות כמו Sila Nanotechnologies, בארצות הברית, אישרו את התחלת הייצור של יחידות הסוללה הראשונות שלהן עם המינרל הזה.

בספרד יש מספר מרכזי מחקר שעובדים על המינרל הזה, השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ ונגיש יותר מגרפיט (כמו במקרים רבים אחרים - למשל, 'כדורי הארץ הנדירים'-, עם ההגמוניה הסינית), כפי שהוא קיים ב. סלעים או חול, ולאחר שחולצו, הוא יכול להתחיל את מחזור החיים השימושי שלו.

זה מה שהם עושים ב-Floatech, ספין-אוף של IMDEA Materials (מכון מחקר המחובר לקהילת מדריד), במימון משותף של חואן ז'וזה וילטלה וריצ'רד שאופלה, חלק מקבוצת הננו-מרוכבים הרב-תכליתיים של המכון.

הווה ועתיד

Vilatela, מהנדס פיזיקאי מאוניברסיאדה איברואמריקנה דה מקסיקו ודוקטורט מאוניברסיטת קיימברידג', מדגיש את מהות העבודה עם החומר הזה: כמו גם את הירידה במשקל ובגודל".

כסימן של החוקר, החידוש מתמקד בחידוד התהליך כך שיהיה בכל מקום ב'אתר הסגולי', ייצור גדול יותר, מחיר נמוך יותר... עם החזרה של ייצור בר-קיימא: "סיליקון דורש תהליך של טרנספורמציה למכשיר, עבור אשר ב-Floatech ביטול כל הממסים ותהליך הערבוב, כך טביעת הרגל הסביבתית תצטמצם”. סיור בעיצומו של סבב השקעה, במטרה לבנות את מפעל הפיילוט הראשון ב-2023 ולהכין מוצר עד 2025 (זכו לתמיכת מועצת המחקר האירופית, מפרויקט מצוינות במחקר).

כמובן, למרות שהסיליקון מגיע עמוס ביתרונות, הוא מציג הכרח מסויים, כמו פיצוחו עקב השינויים המתמשכים בנפח האופייניים לתהליך הטעינה והפריקה בסוללות ליתיום-יון. במובן זה, כרמן מורנט, פרופסור לפיזיקה שימושית באוניברסיטה האוטונומית של מדריד, מדגישה את חשיבות המינרל הזה: "הוא מבטיח מאוד כחומר אנודה לסוללות ליתיום, מכיוון שהוא האלמנט בעל הקיבולת הספציפית-תיאורטית הגבוהה ביותר. ושופע מאוד בטבע. זה יכול להיות מאוד חשוב, למשל, באחסון של אנרגיות מתחדשות. עם זאת, בשל וריאציות הנפח העצומות המתרחשות בהחדרה/מיצוי של ליתיום בסיליקון, כאשר החומר גדל ויורד בנפח עד פי ארבע, האנודה נסדקת, נשברת והסוללה מאבדת יציבות. מסיבה זו, אנו לומדים כיצד להגדיל את אורך החיים השימושיים של סוללות אלו באמצעות שימוש בחומרים בממדים קטנים, כגון, למשל, סרטי סיליקון דקים וננו-חוטי סיליקון".

הפתרון היה צעד פיזי הכרחי, כפי שמציין מורנט, "על ידי עבודה עם שכבות דקות הרבה יותר של סיליקון וייצור ננו-חוטי סיליקון מיושרים אנכית. כדי לדמיין את זה, זה יהיה משהו דומה לקוצים של כאב, בין אותם חללים שגדלים בנפח ניתן להכיל במהלך תהליכי הטעינה-פריקה". המומחה גם מדגיש כי קיימים שני סוגים של סיליקון בתחום זה: "הגבישי (יקר יותר ולא כדאי מסחרית), והאמורפי, נקבובי יותר וניתן 'לסמם' עם הכנסת חומרים כך שהוא עדיין מוליך יותר, שעליו אנו חוקרים בשיתוף עם קבוצת התקני הסיליקון המופקדים, יחידת אנרגיה סולארית פוטו-וולטאית של CIEMAT (המרכז למחקר אנרגיה, סביבה וטכנולוגיה)".

במקרה של מרטה קאבלו, חוקרת פוסט-דוקטורט בקבוצת המחקר של Cell Prototyping ב-CIC energiGUNE, היא מדגישה כיצד, עד כה, התעשייה השתמשה בכמויות נמוכות מאוד של סיליקון באנודות, בין 5 ל-8%. וזה מדגיש את השתתפותו של המוסד בפרויקט האירופי 3beLiEVe, "שמטרתו לחזק את מעמדה של תעשיית הסוללות והרכב האירופית בשוק העתידי של כלי רכב חשמליים באמצעות ואספקת הדור הראשון של סוללות, שתוכננו ויוצרו באירופה. בפרויקט זה נחקרת החדרת סיליקה בחומר האנודה.

לפיתוח זה של המרכז, הממוקם בפארק הטכנולוגי Álava, קדמה השתתפות בפרויקט אירופאי יוצא דופן נוסף Graphene Flagship Core 2, "בו בוצע מחקר על אנודות סיליקון בשילוב עם גרפן, והצליחו להתאים את השילוב הזה של חומרים עבורו. מסת ייצור".

זמנים חדשים

כתוצאה מקיימות, קאבלו מציינת שהעלייה בצפיפות האנרגיה של הסוללה תאפשר להחזיק רכבים חשמליים עם סוללות המסוגלות להציע יותר קילומטרים לחסוך בטעינה אחת: סוללות ליתיום-יון בבסיס תעשייתי באנודות סיליקון מופחתים למינימום, הוא שהייצור והתהליך של האנודות הללו מתבצע במדיום מימי, הרחק מהממיסים האורגניים הנפוצים בשימוש, שהם רעילים ומפחיתים את בטיחות הסוללות".

גולת כותרת נוספת היא זו של Ferroglobe, החברה הספרדית, יחד עם Little Electric Cars, שנבחרה בפרויקט המחקר והחדשנות הפאן-אירופי השני (IPCEI) המכסה את כל שרשרת הערך של הסוללות.

ליצרנית המובילה בעולם של מתכת סיליקון וסגסוגות ברזל סיליקון-מנגן, יש לה בסיס לקוחות עולמי בשווקים דינמיים וצומחים במהירות כמו שמש, רכב, מוצרי צריכה, בנייה ומגזר האנרגיה, עם מפעלי ייצור בספרד, צרפת, נורבגיה. , דרום אפריקה, ארצות הברית, קנדה, ארגנטינה וסין (26 מרכזי ייצור, עם 69 תנורים ברחבי העולם, וכ-3400 עובדים ברחבי העולם).

במרכז החדשנות והמו"פ שלה (בסבון, לה קורוניה), יחד עם המפעל למתכות סיליקה, היחיד בספרד, השיקה Ferroglobe תוכנית חדשנות אסטרטגית לפיתוח אבקת סיליקון (מיקרומטרית וננומטרית) לאנודה של ליתיום. סוללות -יון. "החברה (הם מציינים) רוצה לספק פתרונות לאתגר הנוכחי העומד בפני תעשיית הרכב והניידות, כמו קידום המעבר לטכנולוגיות בנות קיימא וניטרליות אקלים יותר. בהקשר זה, סוללות הן טכנולוגיה מרכזית לשינוי זה, אך יש צורך להבטיח אספקת החומרים המתקדמים הדרושים לייצורן”. תרחיש בינלאומי שבו סיליקון מתבסס כאחד החומרים החיוניים של העשור הראשון כדי להבהיר את הקשר בין רווחיות לקיימות.