היווצרות תוך-מקום של Ni(OH)2 ננו-גבישי באלקטרוליט בסיסי מסבירה קיבולת מעולה ויציבות מחזורית של אלקטרודות Ni3S2/NF

מדוע זה חשוב לאחסון אנרגיה בעתיד

לוחות סולאריים וטורבינות רוח יקרים רק במידה שאנו יכולים לאחסן את האנרגיה שהן מייצרות כשהשמש שוקעת או כשהרוח שוככת. המחקר הזה בוחן נתיב מבטיח לשיפור הסופרקפסיטורים — מכשירים הנטענים בשניות ועדיין מסוגלים לעמוד בעשרות אלפי מחזורים. החוקרים מראים שחומר מבוסס ניקל, שגדל ישירות על ספוג מתכתי רב־נקבוביות, משתנה במהלך השימוש למבנה השומר אנרגיה ביעילות גבוהה ונשאר יציב להפליא לאורך זמן.

בניית ספוג כוח

הצוות התחיל מקצף ניקל, ספוג מתכתי קל עם שטח פנים פנימי עצום. באמצעות תהליך פשוט של חימום ותמיסה בשלב אחד הם המירו את האזור החיצוני של הקצף לשכבה של גפרוריד ניקל (בפרט Ni3S2). שכבה זו נוצרת כגיליונות דקים ונקבוביים שמתחברים בחוזקה למתכת ויוצרים אלקטרודה עומדת בפני עצמה שאין בה צורך בקושרים או בתמיכות נוספות. השטח הפנימי הגדול והקשר החשמלי הטוב של הקצף מאפשרים תנועה מהירה של מטענים — דרישה מרכזית לסופרקפסיטורים הטוענים במהירות.

משטח שמשנה את צורתו

כאשר האלטרודות החדשות נבדקו לראשונה בתמיסה אלקלינית מרוכזת, ההתנהגות שלהן לא הייתה סטטית. במהלך עשרות המחזורים הראשונים של טעינה ופריקה קיבולת האחסון החשמלית עלתה במקום לרדת. במקביל, מדידות דיפוזיה של אור וסריקות קרני רנטגן הראו שהגפרוריד הניקל המקורי על המשטח עובר שינוי כימי. גופרית יצאה לאט מהאזור החיצוני, ואטומי הניקל התחברו לחמצן ומימן מהתמיסה והשתלבו לשכבה דקה של הידרוקסיד ניקל ותרכובות ניקל־חמצן קשורות. בשלב הזה המבנה הסולפידי הפנימי נותר ברובו שלם, אך שכבת המשטח — שבה מתרחשת הפעילות האלקטרוכימית — כבר עוברת שינוי.

ממעיל פשוט לסנדוויץ׳ חכם

עם עוד מחזורים רבים של טעינה־פריקה הסיפור התקדם עוד. לאחר עשרות אלפי מחזורים הופיעו סימנים ברורים של גבישים זעירים של הידרוקסיד ניקל, בקוטר של מספר מיליארדיות המטר. גבישים אלה יצרו ארכיטקטורה רב־שכבתית חדשה: קליפה ננו־גבישית של הידרוקסיד ניקל על מצע הגפרוריד הניקל המקורי, כל זה מעוגן למסגרת קצף הניקל. אף על פי שסך השטח הגיאומטרי של האלטרודה למעשה הקטן, יכולתה לאחסן מטען נשארה גבוהה ואף הייתה ניתנת לשחזור לאחר ירידות באמצעות סוג אחר של סריקת מתח. זאת מעידה שרוב אחסון האנרגיה כעת נובע מתגובות כימיות בשכבת ההידרוקסיד ולא רק משטח פנים פשוט.

שכבת כוח המתאמצת בעצמה

החוקרים מצאו שדחיפת האלטרודה למתחים מעט גבוהים יותר במהלך ההפעלה גורמת לשכבת ההידרוקסיד להיערך מחדש לצורה פתוחה ועשירה במים. השלב המעוצב מחדש הזה מקל על יונים מהתמיסה להיכנס ולצאת בזמן הטעינה, מה שמגביר את הקיבולת היעילה. בינתיים, הגפרוריד הניקל והקצף שמתחת פועלים כעמוד שדרה חשמלי חזק ובופר מכאני, מוליכים אלקטרונים וסופגים מתח כשהשכבה החיצונית

ציטוט: Abdullin, K.A., Gabdullin, M.T., Gritsenko, L.V. et al. In situ formation of nanocrystalline Ni(OH)₂ in alkaline electrolyte explains superior capacitance and cycling stability of Ni₃S₂/NF electrodes. Sci Rep 16, 12209 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42576-y

מילות מפתח: סופרקפסיטורים, קצף ניקל, גפרוריד ניקל, הידרוקסיד ניקל, אחסון אנרגיה