Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

שיפור סינרגטי ביציבות האנוד של אבץ דרך סגסוגת בביסמוט וחשיפה ל-CO2 ב-1 M KOH לשימוש בסוללות אלקליניות

· חזרה לאינדקס

מדוע סוללות טובות יותר חשובות

מרכבים חשמליים ועד אספקת גיבוי לבתים, אנו מסתמכים על סוללות ניתנות לטעינה יותר ויותר בכל שנה. סוללות מבוססות אבץ מושכות כי האבץ זול, שופע ובטוח יותר מליתיום. עם זאת אנודות האבץ נוטות להיסחף בקורוזיה ולהיווצרות בועות גז, שמבזבזות אנרגיה ומקצרות את חיי הסוללה. המחקר הזה חוקר דרך פשוטה להקשות ולהאריך את חיי אנודות האבץ על ידי הוספת כמויות זעירות של בביסמוט ומתן תפקיד לפחמן הדו-חמצני מהאוויר—לא כפגיעה, אלא כעזר.

Figure 1. הוספות זעירות של בביסמוט ו-CO2 פועלות יחד כדי להגן על אנודות האבץ ולהאריך את חיי הסוללה האלקלינית.
Figure 1. הוספות זעירות של בביסמוט ו-CO2 פועלות יחד כדי להגן על אנודות האבץ ולהאריך את חיי הסוללה האלקלינית.

הבעיה עם אבץ טהור

בסוללות אלקליניות שכיחות, האבץ שוכן בתמיסה בסיסית חזקה ומתפרק בהדרגה. פני השטח שלו מתמוססים בצורה לא אחידה, צומחים מבנים דמויי מחטים ומשחררים גז מימן. שינויים אלה פוגעים באנוד, מורידים את הקיבולת השימושית ומקשים על טעינה חוזרת מרובה של הסוללה. תיקונים מסורתיים דורשים לעתים ציפויים מורכבים או תוספים יקרים. המחברים שאלו האם מנה מאוד קטנה של מתכת נוספת, בביסמוט, יחד עם חשיפה מבוקרת לפחמן דו-חמצני, יכולה להרגיע את ההתנהגות הכאוטית של המשטח מבלי להוסיף עלות רבה.

שינוי קטן בתערובת המתכת

הקבוצה הכינה שני סוגים של אנודות עגולות: אחת מאבץ טהור, ואחת מאבץ המעורבב עם רק 0.5 אחוז בביסמוט לפי משקל. שתיהן נבדקו בתמיסת הידרוקסיד האשלגן האלקלינית הסטנדרטית, הן ללא תוספת והן לאחר שאווררו בה פחמן דו-חמצני. באמצעות שיטות אלקטרוכימיות מבוססות היטב הם מדדו עד כמה המתכות קורדות, כמה בקלות המטען נע על פני המשטח, וכיצד ההתנהגות של האלקטרודות בזמן טעינה ופריקה חוזרות. מיקרוסקופים וטכניקות קרני-רנטגן חשפו אילו שכבות מוצקות נוצרו על המשטחים.

כיצד פחמן הדו-חמצן הופך לעוזר

בהפתעה, הוספת פחמן דו-חמצני לנוזל האלקליני הפחיתה את הקורוזיביות של שני משטחי האבץ, ולא הגבירה אותה. הגז הגיב עם האבץ המומס והתמיסה ויצר שכבה עשירה בקרבונט האבץ על גבי המתכת. על אבץ טהור השכבה הייתה במידה מסוימת מחוספסת ונקבובית. על סגסוגת אבץ–בביסמוט, לעומת זאת, הסרט המגן נעשה צפוף יותר ומצורף טוב יותר. נוכחות הבביסמוט עודדה היווצרות של פאזות חמצן וקרבונט קומפקטיות שחסמו הן את אובדן המתכת והן את בועות המימן הלא רצויות. כתוצאה מכך הסגסוגת הראתה זרם קורוזיה קטן בהרבה ונדרשה אנרגיה רבה יותר להתחלת הקורוזיה—סימנים ברורים לשיפור היציבות.

Figure 2. מבט מקרוב על האופן שבו בביסמוט ו-CO2 בונים סרט מגן על האבץ, מקטינים קורוזיה והיווצרות בועות גז.
Figure 2. מבט מקרוב על האופן שבו בביסמוט ו-CO2 בונים סרט מגן על האבץ, מקטינים קורוזיה והיווצרות בועות גז.

טעינה ופריקה יציבים יותר

כאשר החוקרים הקיפו את האלקטרודות בזרמים שונים, היתרונות התורגמו ישירות לביצועים דמויי סוללה. אנודות האבץ–בביסמוט שמרו על המתח בצורה יציבה יותר ופרקו לזמנים ארוכים יותר מאשר אבץ טהור בתנאים זהים. בתנאי ריכוז פחמן דו-חמצני גבוהים, השיפורים היו חזקים עוד יותר: הסגסוגת המשיכה לפעול במתחים תובעניים יותר, עם שימור קיבולת טוב יותר לאורך מחזורים רבים. מדידות אימפדנס מתקדמות הראו שהמטען התקשה לדלוף דרך השכבה המגינה, והסרט הדק על המשטח התנהג יותר כמחסום יציב מאשר כספוג דולף.

מה זה אומר לסוללות בעתיד

בסך הכול, המחקר מראה שמעט בביסמוט בשילוב הנוכחות הטבעית של פחמן דו-חמצני יכולים לחזק במידה רבה אנודות אבץ בסוללות אלקליניות. במקום לראות את פחמן הדו-חמצני אך ורק כאיום, העבודה הופכת אותו לחלק מהפתרון על ידי ניצולו לבניית שכבת מגן עצמית. עבור משתמשים יומיומיים, הגישה הזו מצביעה על סוללות מבוססות אבץ שיחזיקו מעמד יותר זמן, יבזבזו פחות אנרגיה ויישארו בטוחות יותר, וכל זאת תוך הסתמכות על חומרים שופעים ותהליכים פשוטים.

ציטוט: Adel, M., Elsayed, A. & Elrouby, M. Synergistic enhancement of zinc anode stability via bismuth alloying and CO2 exposure in 1 M KOH for alkaline battery applications. Sci Rep 16, 15879 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52415-9

מילות מפתח: סוללות אבץ, אנוד אלקליני, סגסוגת בביסמוט, עיכוב קורוזיה, דו תחמוצת הפחמן