תכונות הקשירה של גופרית לאפשר ייצור ללא ממס של אלקטרודות חיוביות גרפיט-גופרית בעלות ביצועים גבוהים וללא פולימרים

מדוע המתכון החדש הזה לסוללות משמעותי

סוללות ליתיום‑יון מספקות כוח לטלפונים, מחשבים ניידים ומכוניות חשמליות, אך ייצורן צורך אנרגיה רבה, יקר ותלוי בממסים רעילים. המחקר בוחן כימיית סוללה שונה — ליתיום–גופרית — שמבטיחה אנרגיה גבוהה יותר בעלות נמוכה יותר, תוך שימוש בגופרית, תוצר לוואי תעשייתי בשפע. החוקרים גילו דרך לבנות את האלקטרודה מבוססת־גופרית ללא ממסים נוזליים או דבקים פולימריים, כשהגופרית עצמה מתפקדת כ"דבק". הגישה שלהם יכולה להפוך סוללות עתידיות לזולות יותר, נקיות יותר בתהליך הייצור ועם אורך חיים ארוך יותר.

הבעיה במפעלי הסוללות של היום

רוב הסוללות המסחריות מיוצרות בתהליך רטוב של "יציקת דבק" (slurry casting). אבקות האגירה והמוליכות מעורבבות עם דבק פולימרי ומומסות בממס ליצירת צבע סמיך שמורחים על יריעת מתכת ומייבשים בתנורים ענקיים. בסוללות ליתיום–גופרית, שיטה זו מביאה מספר חסרונות: הממס לעתים רעיל ויקר להחלמה, ייבוש התערובת צורך כמות גדולה של אנרגיה, והדבק הפולימרי עצמו אינו מוליך חשמל או יונים, מה שמוסיף משקל מת ועמידות. בנוסף, מחזורי ייבוש והרווייה עלולים לפגוע במבנה הנימי העדין שהגופרית זקוקה לו כדי לתפקד היטב, ובכך לפגוע ביתרונותיה של הכימיה המבטיחה הזו.

להפוך את הגופרית לדבק

הצוות שאף להסיר לחלוטין הן את הממס והן את הדבק הפולימרי מהמשוואה. התובנה המרכזית שלהם היא שהגופרית, שלרוב נתפסת רק כחומר הפעיל שאוגר אנרגיה, יכולה גם לשמש כקושר מבני אם מטפלים בה כראוי. הגופרית מתרככת בטמפרטורות יחסית נמוכות, הרבה מתחת לנקודת ההיתוך שלה. על‑ידי חימום עדין של תערובת גופרית ופחמן נקבובי ואז לחיצה על יריעת אלומיניום, הגופרית המתרככת זורמת במידה מספקת לקיבוע החלקיקים ולאחיזה חזקה במתכת. ניסויים זהירים וסימולציות ממוחשבות מראים שבסביבות 80 °C חלקיקי הגופרית מעוותים ומתארגנים בצפיפות, מצמצמים רווחים ויוצרים שכבה חלקה וקוהזיבית — ללא צורך בדבק נפרד.

בנייה של אלקטרודות חזקות בלחיצה יבשה פשוטה

כדי ליישם את הרעיון, החוקרים הכינו תחילה אבקת גופרית–פחמן שבה חלק מהגופרית מוחבאת בנקבוביות זעירות של הפחמן, בעוד שגופרית נוספת יוצרת חלקיקים מעט גדולים יותר. מבנה "דו‑שכבתי" זה מסייע הן במגע חשמלי והן בקשירה מכנית. לאחר מכן פיזרו את האבקה היבשה ישירות על יריעת אלומיניום והעבירו אותה דרך רולרים מחוממים. בטמפרטורת החדר התקבלה שכבה שבירה ולא אחידה; לעומת זאת, ב‑80 °C השכבה הפכה לעמידה מכנית, עם מבנה נקבובי פנימי אחיד יותר ודרכי מעבר יונים ישרות יותר. הדמיית רנטגן ומיקרוסקופיה הראו כי אלקטרודות שנלחצו בטמפרטורה הגבוהה קיבלו מגע טוב יותר בין החלקיקים ובינם לבין היריעת המתכת, ונספגו אלקטרוליט נוזלי מהר יותר ובאופן אחיד יותר מאשר פילמים שניצקו בשיטה המסורתית והכילו דבקים.

כיצד האלקטרודות החדשות מתפקדות בתאים אמיתיים

הצוות בדק לאחר מכן את האלקטרודות הגופרית–פחמן שנלחצו ביובש בתוך תאים מסוג מטבע (coin‑cell) ותאים מסוג שקית (pouch‑cell). בתנאים מאתגרים — טעינה ופריקה מהירות ומאות מחזורי טעינה — אלקטרודות שנלחצו ב‑80 °C ביצעו בצורה ברורה טוב יותר מאשר גרסאות שנלחצו בטמפרטורת החדר ואלקטרודות מצופות מסורתיות עם דבק פולימרי. בעומס גופרית מתון, האלקטרודות היבשות המותאמות סיפקו כ‑1300 עד 600 מיליאמפר‑שעה לגרם בטווח רחב של קצבי טעינה, ושמרו על קיבולת הפיכה של 932 מיליאמפר‑שעה לגרם גם לאחר 500 מחזורים. לעומתם, אלקטרודות יצוקות בשיטה הרטובה איבדו קיבולת מהר יותר והראו עלייה בהתנגדות פנימית. מיקרוסקופיה במהלך פעולה הראתה שהאלקטרודות שנלחצו ביובש מתרחבות ומתכווצות בצורה אחידה יותר, מונעות סדקים והתנתקות שמציקים לעיצובים המסורתיים.

מה משמעות הדבר עבור סוללות עתידיות

לקהל שאינו מומחה, המסר המרכזי פשוט: עבודה זו מראה דרך להשתמש בגופרית עצמה הן כחומר האוגר אנרגיה והן כדבק מבני באלקטרודת סוללת ליתיום–גופרית. על‑ידי הסתמכות על שלב לחיצה יבש פשוט במקום ציפוי מבוסס ממסים ודבקים פולימריים, השיטה עשויה לחתוך את עלויות ייצור האלקטרודות ביותר מחצי, לצמצם באופן דרמטי את צריכת האנרגיה והפליטות ולהימנע מחומרים מסוכנים. במקביל, האלקטרודות המתקבלות מחזיקות יותר זמן ומאכסנות יותר אנרגיה לגרם מאשר מקבילותיהן המסורתיות. אם תותאם לייצור בקנה‑מידה גדול, התהליך החף מממסים ודבקים הזה יכול לסייע להפוך סוללות ליתיום–גופרית בעלות אנרגיה גבוהה למקורות כוח מעשיים ובת‑קיימא לרכב חשמלי ואחסון רשת.

ציטוט: An, Y., Kim, K., Lee, YJ. et al. Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes. Nat Commun 17, 2360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69097-6

מילות מפתח: סוללות ליתיום–גופרית, ייצור אלקטרודות יבש, קטודות גופרית–פחמן, עיבוד ללא ממס, חומרי אחסון אנרגיה