אחסון נתרן משופר בפחמן קשיח באמצעות אלקטרוליט של קוא-אינטרקלציה ממסית המאפשר תאים בקיבולת אמפר-שעה בטמפרטורות נמוכות

מדוע סוללות עמידות לקור חשובות

מרכבים חשמליים באקלים מושלג ועד חיישנים בארקטיקה העמוקה — מכשירים מודרניים רבים זקוקים לסוללות שעובדות גם בקור. כיום סוללות ליתיום ונתרן מאבדות כוח או מפסיקות לעבוד בטמפרטורות מאוד נמוכות כי התגובות הכימיות הפנימיות מתעכבות. המחקר מתאר דרך חדשה לבניית סוללות יון-נתרן — באמצעות נוזל מעוצב במיוחד בתוך הסוללה — כך שיוכלו לאגור ולספק אנרגיה באופן אמין גם בטמפרטורות של עד −50 °C.

האתגר של סוללות קופאיות

סוללות מאחסנות אנרגיה על ידי העברת אטומים בעלי מטען, יונים, בין שני אלקטרודות מוצקות דרך אלקטרוליט נוזלי. בסוללות יון-נתרן, יוני הנתרן חייבים לחדור דרך שכבת פני שטח דקה ולהיכנס לאנודת פחמן המוכרת כפחמן קשיח. בטמפרטורות נמוכות מתרחשים שני כשלים: היון נע לאט יותר בנוזל, והוא מתקשה לשחרר את מולקולות הממס שמקיפות אותו לפני הכניסה לפחמן הקשיח. במקביל, שכבת ההגנה על פני השטח — הממשק המוצק-אלקטרוליטי — נוטה להתעבות ולהיות פחות מוליכה בקור. כל אלה מקשים על תנועת יוני הנתרן, ולכן הסוללה מספקת אנרגיה מועטה יותר כשנדרש.

תערובת נוזלית חדשה להקלת תנועת היונים

החוקרים פתרו את הבעיה על ידי עיצוב מחודש של האלקטרוליט כך שיוני הנתרן לא יצטרכו לשחרר לחלוטין את מעטפת הממס שלהם לפני הכניסה לפחמן הקשיח. הם ערבבו שני ממסים מבוססי אתר: די-אתילן גליקול דימתיל אתר (G2), הנצמד בחוזקה ליוני הנתרן ותומך בתנועה מהירה של יונים, ו-2-מתילוקסולן (MO), נוזל פחות פולארי שנשאר נוזלי בטמפרטורות נמוכות מאוד. בתוצאה, ב"אלקטרוליט הקוא-אינטרקלציה" יוני הנתרן מתואמים בעיקר עם G2, בעוד ש-MO מתפקד ברובו כממס חופשי שאינו קושר ועוזר לשמור על התערובת נוזלית עד −50 °C. סימולציות ממוחשבות ומדידות ספקטרוסקופיות הראו שהתערובת יוצרת מבנה יציב שבו יוני הנתרן ו-G2 נוסעים יחד כאשכול קטן.

מאפשרים ליונים להיכנס לפחמן בלי להתפשט

במקום לכפות על יוני הנתרן להסיר את מעטפת הממס על פני משטח האלקטרודה, האלקטרוליט החדש מאפשר לצבירי נתרן–G2 להחליק ישירות דרך שכבת הפנים ולהיכנס לחללים השכבתיים בתוך הפחמן הקשיח. תהליך זה, שנקרא קוא-אינטרקלציה של ממס, מעקף את שלב ה"הסתלקות" האיטי שבדרך כלל מגביל את הביצועים בקור. בדיקות מיקרוסקופיות וספקטרוסקופיות חשפו ששכבת הממשק שנוצרה עם אלקטרוליט זה דקה יותר ועשירה יותר במרכיבים אנאורגניים ביחס למערכות קונבנציונליות. השילוב הזה מגן על האלקטרודה ובו בזמן מאפשר ליונים לחצות במהירות. מדידות של דיפוזיית יונים והתנגדות חשמלית אישרו שיונים נעים מהר יותר בתוך הפחמן ועל פני הממשק, במיוחד בטמפרטורות נמוכות.

ביצועים חזקים אפילו ב־−50 °C

כאשר הצוות בדק תאים בגודל מטבע באמצעות פחמן קשיח והאלקטרוליט החדש, הם גילו שהסוללות שומרות על קיבולת ויעילות גבוהות בטמפרטורת חדר ועד −50 °C. ב־−50 °C, האנודת פחמן הקשיח סיפקה עדיין כ־80% מיעילות הטעינה ההתחלתית ושמרה על מעל 90% מהקיבולת לאחר 200 מחזורי טעינה־פריקה. בהרחבה מעבר לתאים קטנים, החוקרים בנו תאי פאוץ' — סוללות שטוחות דומות לאלו במכשירי אלקטרוניקה צרכנית — בקיבולת של כ־1.2 אמפר-שעה. סוללות יון-נתרן מלאות אלו השיגו אנרגיה סגולית של 163 וואט-שעה לקילוגרם בטמפרטורת חדר ו־107 וואט-שעה לקילוגרם ב־−50 °C, ובו בזמן המשיכו להפעיל נורות LED למעלה מ־10 שעות בתא ב־−50 °C.

מה המשמעות של זה לסוללות לעתיד באקלים קר

ללא מומחיות רבה, המסר המרכזי הוא שהמחברים מצאו דרך לאפשר ליוני הנתרן לשמור על מעטפת הממס המסייעת שלהם בעת כניסתם לאלקטרודת הפחמן של הסוללה. על ידי עיצוב אלקטרוליט שנשאר נוזלי בקור ויוצר שכבת פנים דקה הידידותית ליונים, הם הסירו צוואר בקבוק מרכזי בביצועים בטמפרטורות נמוכות. גישה זו עשויה להפוך את סוללות יון-נתרן — חלופה זולה יותר לסוללות יון-ליתיום — לפרקטיות יותר לשימוש באקלימים חורפיים, אזורים בגובה רב וסביבות קשות אחרות שבהן יש צורך דחוף באחסון אנרגיה אמין וזול.

ציטוט: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

מילות מפתח: סוללות יון-נתרן, סוללות בטמפרטורה נמוכה, עיצוב אלקטרוליט, אנודות מפחמן קשיח, אחסון אנרגיה