סוללה מימית עם אלקטרוליט pH 7 המתאימה להיפטרות ישירה בסביבה

מדוע סוללות מימיות בטוחות יותר חשובות

רוב הסוללות הניתנות לטעינה היום מסתמכות על נוזלים דליקים או על חומצות ובסיסים חזקים, מה שמעלה חששות בטיחותיים וסביבתיים. המחקר הזה חוקר סוג חדש של סוללה מימית הפועלת בתמיסה עדינה, כמעט ניטרלית—בדומה לחומציות של מי שתייה או מי המלח המשמשים להכנת טופו. מכיוון שהנוזל עדין והמרכיבים המוצקים נמנעים ממתכות כבדות, סוללות אלה מיועדות לאגור אנרגיה לאורך זמן ולהיות מושלכות בסופו של דבר מבלי לפגוע בסביבה.

הבעיות בסוללות מימיות כיום

סוללות מימיות, או "אקווסיות", נתפסו זמן רב כחלופה בטוחה יותר לתאי ליתיום-יון כי מים אינם דליקים. עם זאת, רוב התכנון הקיים משתמש בנוזלים שהם חזקים חומציים או אלקליים. בתנאים אלה המים עצמם מתפרקים למימן וחמצן על פני האלקטרודות. זה מבזבז אנרגיה, מייבש את התא בהדרגה ובונה בועות שפוגעות באלקטרודות. כאשר סוללות כאלה מושלכות, הנוזלים האגרסיביים עלולים לפגוע בקרקעות ובגופי מים. המחברים שאפו לעצב סוללה השומרת על יתרונות המים, אך פועלת ב-pH סביב 7, קרוב לניטרלי, כדי להפחית תגובות לוואי אלה.

נוזל עדין חדש וחומר מוצק מתאים

הקבוצה בחרה במלחים נפוצים של מגנזיום וסידן—MgCl₂ ו-CaCl₂—כבסיס לנוזל בתוך הסוללה. מלחים אלה יוצרים תמיסות מרוכזות שמסוגלות לאחסן ולהעביר מטען רב, ובכל זאת נשארות כמעט ניטרליות וכבר משמשות בבטחה בעיבוד מזון. כדי לעבוד עם נוזלים אלה, החוקרים סינתזו משפחה של מוצקים אורגניים מזודרכים, שנקראים פולימרים אורגניים קובלטיביים, שישמשו כאלקטרודה השלילית. על ידי שינוי קל בקשר הכימי שמחבר את יחידות הבנייה של הפולימרים האלה, יכלו לכוונן עד כמה החומר מקבל ומשחרר אלקטרונים ועד כמה הוא מושך יוני מגנזיום או סידן. גרסה אחת, בשם Hex-TADD-COP, בלטה כי שילבה הובלת מטען מהירה, יציבות תרמית טובה ומתח עבודה נמוך, תכונה רצויה להצמדה לאלקטרודות חיוביות במתח גבוה.

איך הסוללה החדשה מאחסנת מטען

בפולימר שנבחר, היחידות החוזרות מכילות אטומי חנקן המסודרים כך שהם יכולים לאחוז זמנית ולשחרר יוני מגנזיום או סידן בזמן שהסוללה טוענת ומתפזרת. באמצעות שילוב של מודלים ממוחשבים וספקטרוסקופיות מסוגים שונים, הראו החוקרים כי אתרי החנקן מקושרים באופן הפיך ליונים דו-ערכיים מבלי לקרוע את הפולימר. באופן מכריע, הנוזל הכמעט ניטרלי מכיל מעט פרוטונים חופשיים, ולכן יוני מימן משחקים תפקיד זניח בתהליך אחסון המטען. ניסויים בתמיסות חומציות יותר גילו שכאשר פרוטונים נוספים נוכחים, הם יוצרים תגובות בלתי רצויות, מרכיבים משקעים מבודדים על פני האלקטרודה וקוצרים במהירות את חיי המכשיר. לעומת זאת, ב-pH 7 האלקטרודה שומרת על מעל 70 אחוז מהקיבולת גם לאחר כ-120,000 מחזורי טעינה־פריקה מהירים, חיי שירות יוצאי דופן לסוללה מימית.

בניית סוללה מלאה ובחינת אורך החיים שלה

כדי להדגים מכשיר עובד מלא, הצוות שילב את האלקטרודה השלילית הפלסטית החדשה עם אלקטרודה חיובית עשויה תרכובת דמויית "כחול פרוסי" המכילה נחושת וברזל. בתמיסות המלח הניטרליות של מגנזיום או סידן, הזוג הזה הפיק מתח עבודה של עד כ-2.2 וולט—גבוה עבור סוללה מימית מרובת ערכיות. כאשר נלקלה בחשבון מסת האלקטרודות והנוזל הכוללת, התאים סיפקו אנרגיות סגוליות של עד בערך 40–50 ואט-שעה לקילוגרם, השוואתיות או טובות יותר מרבות ממערכות מגנזיום או סידן אחרות. לא פחות חשוב, התאים המלאים שמרו על קיבולת שימושית לאורך 120,000 מחזורים בזרם גבוה, ופרוטוטיפים בסגנון שקית עם אלקטרודות עבות יותר פעלו באופן יציב על פני אלפי מחזורים, מה שמרמז על פוטנציאל יישומי.

מה זה אומר לאחסון אנרגיה נקי יותר

המחקר מראה שאפשר לבנות סוללה נטענת ארוכת־טווח המשתמשת בתמיסת מלח בדרגת מזון ובאלקטרודה שלילית אורגנית שתוכננה למנוע תגובות לוואי הרסניות. על ידי שמירה על pH סמוך ל-7 והסתמכות על יסודות שופעים וללא רעילות כגון מגנזיום, סידן, פחמן, חנקן וברזל, יוצרים המחברים מכשיר שניתן, עקרונית, להשליך ללא טיפול מיוחד ועדיין לעמוד בסטנדרטים סביבתיים מחמירים. בעוד שדרוש עוד מחקר להעלאת תכולת האנרגיה ולמיטוב ייצור בקנה מידה גדול, הגישה הזו מצביעה על סוללות בטוחות וירוקות יותר ליישומים שבהם עמידות ארוכה והשפעה סביבתית נמוכה חשובים יותר מאשר לחלץ כל יחידת אנרגיה קצה.

ציטוט: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

מילות מפתח: סוללות מימיות, אחסון יוני מגנזיום, סוללות יוני סידן, אלקטרוליטים ניטרליים, פולימרים אורגניים קובלטיביים