התנהגות אלקטרוכימית של סוללות Na-יון ו-Na-S תחת שדות מגנטיים חיצוניים

מדוע מגנטים קטנים חשובים לסוללות העתיד

ככל שביקושנו לאחסון אנרגיה זול ובקנה מידה גדול גובר, מדענים בוחנים אפשרויות מעבר לסוללות ליתיום של היום, לכיוונים זולים ושופעים יותר. סוללות מבוססות נתרן הן מועמדות מבטיחות, אך הן סובלות מבעיות שמקצרות את חיי המוצר ומסכנות את הבטיחות. מחקר זה בוחן עזר מפתיע בפשטותו — שדה מגנטי חיצוני — כדי לבדוק האם כוחות מגנטיים בלתי נראים יכולים לכוון חלקיקים טעונים בתוך סוללות נתרן, ולהפוך אותן לבטוחות, עמידות ויעילות יותר בלי לשנות את הכימיה הפנימית.

טריקים חדשים לסוללות נתרן

הנתרן דומה כימית לליתיום אך שופע בהרבה יותר מקומות בעולם, מה שהופך סוללות נתרן לאטרקטיביות לאחסון רשת ולשימושים בקנה מידה גדול. עם זאת, כאשר מתכת נתרן מותקנת ומנותקת, היא נוטה לצמוח בזיזים מחודדים, המכונים דנדריטים, שיכולים לנקב את המפריד ולגרום לקצר. בתאי נתרן–גופרית מתעוררת בעיה נוספת: סוגי גופרית מומסים יכולים לנוע הלוך ושוב בין האלקטרודות, לבזבז חומר פעיל ולהוריד בהדרגה את הקיבולת. רוב השיפורים עד כה התמקדו בעיצוב מחדש של החומרים. כאן שאלו החוקרים שאלה שונה: האם ניתן, באמצעות שדה מגנטי חיצוני המופעל מחוץ לתא, לכוון בעדינות את תנועת היונים ולשפר את הביצועים אפילו ללא תוספים מגנטיים?

מבחן סוללות בתוך שדה מגנטי

כדי לבדוק זאת, הקבוצה בנתה שני סוגים של תאי מטבע קטנים. הראשון היה תא סימטרי פשוט נתרן–נתרן, אידיאלי למעקב אחר התנהגות מתכת הנתרן במהלך הרכבה וניתוק חוזרים. השני היה חצי־תא נתרן–גופרית המשתמש בקתודה של קומפוזיט גופרית–פוליאקרילוניטריל, עיצוב נפוץ לסוללות Na–S בטמפרטורת החדר. הם החשיפו את התאים האלה לשדות מגנטיים סטטיים בטווח של 50 עד 450 מיליטסלה באמצעות מגנטים קבועים ומערכת סלנואיד מבוקרת, בעוד תאים זהים לביקורת עברו מחזור ללא שדה. ברישום המתח במהלך טעינה–פריקה, בבדיקה של ההתנגדות הפנימית באמצעות מדידות התנגדות-תדר (אימפידנס) ובניתוח מאוחר תחת מיקרוסקופ אלקטרוני, הם חיברו בין התנהגות חשמלית לשינויים פיזיים בתוך הסוללות.

מתכת נתרן חלקה יותר תחת שליטה מגנטית

בתאי נתרן–נתרן, נוכחות שדה מגנטי ייצבה את עקומות המתח והקטינה את המתח העודף, או הפולריזציה, הנדרש להזזת יוני נתרן. תאי הביקורת ללא שדה פיתחו צורות מתח מעוותות ושינויים פתאומיים המעידים על צמיחת דנדריטים ועל הופעת קצרים "רכים", שם סיבים מחברים זמנית בין האלקטרודות. מדידות האימפידנס הראו שתאים תחת שדה של 250 מיליטסלה החזיקו בהתנגדות הנמוכה ביותר בהעברת מטען על פני השטח של הנתרן. המגמות תואמות אפקטים מגנטוהידרודינמיים: השדה דוחף את היונים הנעים ואת הנוזל הסובב לזרימה עדינה, מה שמדלל את השכבה הבטלה הסמוכה למתכת ומיישר את הגעת היונים. התוצאה היא הצטברות נתרן אחידה יותר ועיכוב בצמיחת המחטים המזיקה, אף שהשדה אינו יכול לבטל זאת לחלוטין.

לשמור את הגופרית במקום בו היא שייכת

תאי הנתרן–גופרית סיפרו סיפור דומה מבחינת הקתודה. במחזור בקצב מתון, גם התאים ללא שדה וגם אלה בסיוע שדה איבדו קיבולת בעשרות המחזורים הראשונים, המשקפת את ההפסדים הראשוניים הרגילים בכימיה זו. לאחר הצניחה הראשונית הזו, עם זאת, התאים שעבדו תחת שדה של 250 מיליטסלה שמרו על קיבולת גבוהה יותר — בערך 100 מיליאמפר־שעה לגרם נוספים — ודעכו באיטיות רבה יותר לאורך 100 מחזורים. עקומות המתח שלהם הראו פערים קטנים יותר בין טעינה לפריקה, מרמזות על העברת יונים קלה יותר ועל תגובות גופרית הפיכות יותר. בטווח רחב של קצבי זרם, התאים החשופים למגנט סיפקו בעקביות קיבולות מעט גבוהות יותר. לאחר הבדיקות, המפרידים מתאי הביקורת היו בצבע כהה עמוק, מה שמעיד על נדידת מינים של גופרית והפעמתם למרחק מהקתודה, בעוד שמפרידי התאים בסיוע השדה היו נקיים יותר באופן ברור. מיקרוסקופיה הראתה גם פחות זיזים עשירי מלח ושכבות אחידות יותר על פני האלקטרודות שעברו מחזור תחת השדה, בהתאמה לתוצרים מפוזרים ומעורבבים יותר.

מה זה אומר לסוללות בעולם האמיתי

ביחד, הניסויים מראים כי שדה מגנטי חיצוני — אף בלי חלקיקים מגנטיים מיוחדים בתוך הסוללה — יכול לשנות באופן מדיד את אופן תנועת היונים ותגובותיהם בתאים מבוססי נתרן. על ידי ערבול עדין של האלקטרוליט ברמה מיקרוסקופית, השדה משטח נקודות ריכוז חמות, מעודד צמיחת מתכת נתרן אחידה יותר ומאט את נדידת מיני הגופרית שמחלישים את הקיבולת. השיפורים צנועים ולא פלאיים, והשדות המגנטיים אינם מוחקים את כל מצבי הכשל, אך הם מציעים נדבך עיצוב בלתי חודרני שיכול להשתלב עם חומרים ואדריכלות משופרים. אם יותאמו ויורחבו, גישה זו עשויה לסייע לסוללות נתרן עתידיות להפוך לחיות עבודה בטוחות ועמידות יותר לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדול.

ציטוט: Alimbetova, G., Assan, N., Koishybay, S. et al. Electrochemical behaviour of Na-ion and Na-S batteries under external magnetic fields. Sci Rep 16, 10806 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45275-w

מילות מפתח: סוללות נתרן, שדות מגנטיים, דיכוי דנדריטים, תאים נתרן–גופרית, העברת יונים