כאשר אנו מסתמכים יותר על רוח ושמש, אנו זקוקים לסוללות בטוחות ועמידות יותר לאחסון האנרגיה הזו. מסלול מבטיח הוא להחליף אלקטרוליטים נוזליים דליקים בחומרים מוצקים שמאפשרים ליסודות טעונים לנוע במהירות אך בבטחה. המאמר הזה חוקר דרך חדשה לעצב אלקטרוליטים מוצקים על ידי מיקוד לא רק במראה ה״בלגן״ של החומר, אלא בכמות הנתיבים השונים שהיונים הנעים יכולים למעשה לבחור.
מגבישים מסודרים לכבישים עמוסים
בסוללות מצב מוצק כיום, יוני ליתיום חייבים לשזור את דרכם דרך גביש קשיח. שיטות עיצוב מסורתיות מנסות לשפר ביצועים על ידי הוספת ״אי־סדר״ כימי לגביש, למשל על ידי ערבוב אטומים שונים במבנה או יצירת נקודות ריקות. שינויים אלה נתפסים כמעלים את האנטרופיה, מידה תרמודינמית שלרוב מקושרת לתנועת יונים טובה יותר. אך המדידות הרגילות של אנטרופיה סופרות בעיקר כיצד האטומים מסודרים במערכת, ולא מה היונים עושים בפועל בזמן הנדידה. כתוצאה מכך, חלק מהחומרים שנראים מאוד מבולגנים מוליכים רע, בעוד שאחרים עם אי־סדר מתון מאפשרים ליונים להתקדם במהירות.
צפייה בתנועת היונים, צעד אחר צעד
המחברים מתמודדים עם הפער הזה על ידי שאיבת רעיונות מתוך תורת המידע ודגמים ממוחשבים מתקדמים. הם מדמים את תנועת הליתיום במשפחת אלקטרוליטים סולידיים מבוססי גופרית הנקראים ארגירודיטים, שמועמדים מובילים לסוללות מצב מוצק מלאות. באמצעות טכניקה הנקראת מודל מרקוב של מצבים, הם מחלקים את החומר לאזורי לוקליים קטנים רבים שבהם יוני הליתיום יכולים להתמקם, ואז עוקבים אחר התכיפות שבה היונים מקפצים מאזור לאזור. גישה זו הופכת את תנועת היונים לרשת של נתיבים אפשריים, שלכל נתיב יש הסתברות שניתן לכמת.
מדידת העושר של מסלולי היונים Figure 1. כיצד כוונון חומר עבור סוללה מוצקה הופך גביש שקט לכביש מהיר סואן עבור תנועת היונים.
עם רשת זו ביד, הצוות מגדיר כמות חדשה הנקראת אנטרופיית מסלולים. במקום לשאול עד כמה מסובך מבנה הגביש, אנטרופיית המסלולים סופרת עד כמה מגוונים מסלולי הדיפוזיה בפועל. אם היונים תקועים בכמה מסלולים בודדים, אנטרופיית המסלולים נמוכה; אם הם יכולים לבחור בין מסלולים רבים ומשולבים, היא גבוהה. המחברים גם מבדילים בין אנטרופיית ״הבריחה״, שמשקפת עד כמה קל ליונים לצאת מהאזור המקומי המקורי שלהם ולתרום לתנועה לטווח ארוך. בדגימות ארגירודיט שבהן הוכנסו חוסרים בליתיום ואתרים אניוניים מעורבים, אנטרופיית המסלולים ואנטרופיית ההברחה עלו באופן חד, וכך גם ההולכה היונית הנמדדת — במספר סדרי גודל בהשוואה לחומר ייחוס מסודר יותר.
השוואת אי־סדר מבני ואי־סדר תנועתי Figure 2. כיצד יונים מקבלים מסלולים מסתעפים רבים בתוך מוצק, והופכים תנועה מוגבלת לניידות מהירה למרחקים ארוכים.
כדי לראות כיצד העדשה החדשה הזו מתיישבת עם רעיונות ישנים, החוקרים גם מדדו אנטרופיה קונפיגורציונית, שלוכדת עד כמה מסגרת האניונים מסוארת ומגוונת. הם מצאו שכיווני עיצוב שונים, כמו החלפה של אטומים מסוימים במבנה, יכולים להעלות את אנטרופיית המבנה הזו אך לא תמיד לספק את הדחיפה הגדולה ביותר בזרימת היונים. לעומת זאת, אנטרופיית המסלולים הראתה קורלציה חזקה עם יעילות תנועת הליתיום. במקרים מסוימים חומרים הראו שינוי קטן בלבד באי־סדר המסגרת אך זינוק עצום באנטרופיית המסלולים ובהולכה, מה שמדגיש שעושר המסלולים האפשריים חשוב יותר ממראה הבלגן של הסל lattice המארח.
מציאת מועמדים חדשים על פי הנתיבים הנסתרים שלהם
לבסוף, הצוות השתמש באנטרופיית המסלולים ככלי סינון. בכרייה מבססי נתונים גדולים של חומרים, הם סיננו תחילה אלפי תרכובות גופריתיות לפי יציבות בסיסית והתאמה אלקטרונית. לאחר מכן הם הריצו סימולציות מהירות להערכת תנועת הליתיום ולחישוב אנטרופיית המסלולים ואנטרופיית ההברחה. תהליך זה סימן רק מעטים כבעלי פוטנציאל גבוה, כולל כמה אלקטרוליטים ידועים בעלי ביצועים גבוהים ותרכובת פחות מוכרת, Li4Cr2C4SO16, שלפי החישובים שלהם מעבירה יוני ליתיום כמעט ברמה של חומרי ארגירודיט מובילים. מכיוון שדרכי ההולכה לטווח ארוך שלה אינן מופעלות במלואן עדיין, המחקר מציע ששיפורים נוספים, כגון הוספת חסרים, עשויים לשחרר אף ביצועים טובים יותר.
מה זה אומר לסוללות עתידיות
לבלתי‑מומחים, המסר המרכזי הוא שדרך שבה יוני ליתיום חוטבים דרך מוצק יכולה להיות חשובה יותר מאשר עד כמה המוצק נראה מבולגן על הנייר. באמצעות הכנסת רעיון אנטרופיית המסלולים, עבודה זו מספקת דרך מעשית לספור ולהשוות את אותם נתיבים נסתרים. זה, בתורו, יכול להנחות מדענים לעבר אלקטרוליטים מוצקים שמשלבים בטיחות עם תנועת יונים מהירה הנדרשת לסוללות מצב מוצק בהספק גבוה, ובכך לקרב עוד צעד לאחסון אנרגיה מתחדשת אמין יותר.
