האקדמיה השבדית למדעים העניקה היום את פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 לשלושה חוקרים על תרומתם בפיתוח של סוללת יון-ליתיום: באניסטר גודאינף, מנלי סטנלי וויטנגהם ואקירה יושינו. אמנם מדובר בהמצאה משנות השבעים, אך כיום יש התקדמות בתחום בזכות הצורך להאריך את המרחק שמאפשרות סוללות במכוניות חשמליות
האקדמיה השבדית למדעים העניקה היום את פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 לשלושה חוקרים על תרומתם בפיתוח של סוללת יון-ליתיום: באניסטר גודאינף, מנלי סטנלי וויטנגהם ואקירה יושינו.
סוללות יון ליתיום הובילו לפריצת דרך בכל היבטי חיינו והן משמשות בתחומים רבים, החל מטלפונים ניידים וכלה במחשבים ניידים ורכבים חשמליים. בזכות מחקריהם, חתני פרס הנובל לכימיה לשנת 2019 הניחו את הבסיס לחברה אלחוטית ונטולת דלק מאובנים. חברות שונות מפתחות כיום סוללות בעלות קיבולת ענקית כדי לאפשר אגירה של אנרגיה המופקת מהשמש בשעות היום לשימוש בשעות הלילה כדי להקל על המעבר לאנרגיה מתחדשת. למעשה מדובר בזכייה קלאסית לפי רוח צוואתו של אלפרד נובל – שהפרס צריך להינתן על המצאות שמקדמות את האנושות.
בתחילת שנות השבעים, סטנלי וויטנגהם, חתן פרס הנובל בכימיה לשנה זו, השתמש בכוחו האנרגטי של אטום הליתיום על מנת לשחרר את האלקטרון החופשי החיצוני ביותר שלו בזמן שהוא פיתח את סוללת הליתיום המתפקדת הראשונה אי פעם.
חתן פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 ג'ון באניסטר גודאינף הכפיל את הפוטנציאל של סוללת יון ליתיום, תוך שהוא יוצר את התנאים המתאימים לקבלת עוצמה גדולה יותר מהסוללה.
חתן פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 אקירה יושינו הצליח בשנת 1981 להחליף את הליתיום הטהור והדליק מהסוללה ובמקומה להשתמש ביוני ליתיום, שהם בטוחים יותר מליתיום טהור. החלפה זו אפשרה לחוקרים לספק מוצר מוגמר ובטוח לתעשייה ולחיי היומיום.
זוכי פרס הנובל בכימיה לשנה זו פיתחו את הסוללה העוצמתית ביותר בעולם
רק לעיתים רחוקות יסוד זוכה ליטול תפקיד מרכזי בדרמה, אולם לסיפור של פרס הנובל בכימיה לשנת 2019 יש דמות ראשית: ליתיום, יסוד עתיק שנוצר במהלך הדקות הראשונות של המפץ הגדול. האנושות התוודעה אליו בשנת 1817, כאשר הכימאים השבדיים יוהאן אוגוסט ארפוודסון וינס יאקוב ברצליוס בודדו אותו מתוך דוגמת מינרל שהגיעה ממכרה בשבדיה.
ברצליוס קרא ליסוד החדש על שם המילה היוונית לאבן, ליתוס, בתור ליתיום. זהו היסוד המוצק הקל ביותר, עובדה המסבירה מדוע היום אנחנו כמעט ולא מרגישים במשקלם של הטלפונים הניידים הנמצאים בכיס שלנו. למען ההגינות, הכימאים השבדיים לא ממש מצאו ליתיום מתכתי טהור, אלא יוני ליתיום בצורה של מלח. ליתיום טהור גרם להתראות אש רבות, על שום רמת הדליקות הגבוהה שלו – זהו יסוד בלתי יציב שחייבים לשמרו בתו שמן על מנת שלא יגיב עם האוויר ויידלק.
החולשה של ליתיום – התגובתיות הגבוהה שלו – היא גם נקודת החוזקה שלו. בתחילת שנות השבעים של המאה הקודמת סטנלי וויטנגהם השתמש בכוחו האנרגטי של אטום הליתיום על מנת לשחרר את האלקטרון החופשי החיצוני ביותר שלו בזמן שהוא פיתח את סוללת הליתיום המתפקדת הראשונה אי פעם. בשנת 1980, ג'ון גודאינף הכפיל את הפוטנציאל של סוללת יון ליתיום, תוך שהוא יוצר את התנאים המתאימים לקבלת עוצמה גדולה יותר מהסוללה. בשנת 1985, אקירה יושינו הצליח להחליף את הליתיום הטהור והדליק מהסוללה ובמקומה להשתמש ביוני ליתיום, שהם בטוחים יותר מליתיום טהור. החלפה זו אפשרה לחוקרים לספק מוצר מוגמר ובטוח לתעשייה ולחיי היומיום. סוללות יון ליתיום סיפקו לאנושות את התועלת הגדולה מכולן, בכך שהן מאפשרות לפתח מחשבים ניידים, טלפונים ניידים, רכבים חשמליים ולאפשר אחסון של אנרגיה הנוצרת על ידי כוח השמש והרוח.
כעת, נחזור חמישים שנים אחורה לתחילת סיפורה של סוללת יון הליתיום.
תימרות עשן הבנזין מחיות מחדש את מחקרי הסוללות
במחצית המאה העשרים, מספר המכוניות המונעות בבנזין גאה משמעותית, ואדי הפליטה שנגרמו כתוצאה מנסיעתן ברחובות הרעו את מצב הערפיח המזיק שאפף ערים גדולות. מצב זה, בשילוב עם ההכרה ההולכת ותופסת אחיזה בציבור הרחב כי נפט ומוצריו מהווים מקור אנרגיה נדלה, השמיעו קול התראה הן עבור יצרני הרכבים והן עבור חברות נפט. הם נדרשו להשקיע ברכבים חשמליים ובמקורות אנרגיה חלופיים אם חפצה נפשן להמשיך ולשרוד.
רכבים חשמליים ומקורות אנרגיה חלופיים מחייבים שניהם סוללות עוצמתיות שתוכלנה לאגור כמויות גדולות של אנרגיה. בזמן זה היו בשוק רק שני סוגים של סוללות נטענות: סוללת העופרת הכבדה שהומצאה עוד בשנת 1859 (ואשר עדיין משמשת כסוללת התנעה ברכבים המונעים בבנזין) וסוללת ניקל-קדמיום שפותחה במחצית הראשונה של המאה העשרים.
חברות נפט משקיעות בטכנולוגיה חדשה
החשש מאזילת הנפט שבאדמה הוביל את חברת הנפט הענקית אקסון להחליט לגוון את הפעילויות שלה. במסגרת השקעה משמעותית שלה במחקר בסיסי החברה גייסה מספר חוקרים שהיו המובילים בתחומם בזמנו בתחום האנרגיה, והעניקה להם את החרות לחקור ככל העולה על רוחם, כל עוד מחקרם לא עסק בנפט.
החוקר סטנלי וויטנגהם היה אחד מאותם חוקרים שהגיעו לאקסון בשנת 1972. הוא הגיע מאוניברסיטת סטנפורד, שם הוא חקר חומרים מוצקים בעלי חללים בגודל אטומי שאליהם יכולים להיקשר יונים. תופעה זו נקראת בשם השלבה פנימה (intercalation). התכונות של החומר משתנות כאשר יונים נלכדים בתוכם. באקסון, סטנלי וויטנגהם ועמיתיו החלו לחקור חומרים על-מוליכים, לרבות טנטלום דיסולפיד, המסוגל ללכוד בתוכו יונים. הם הוסיפו יונים לחומר וחקרו כיצד הושפעה כתוצאה מכך המוליכות החשמלית של החומר.
וויטנגהם מגלה חומר עתיר-אנרגיה במיוחד
כפי שקורה במדע, ניסוי זה הוביל לתגלית בלתי צפויה ויקרת ערך. התברר כי יוני אשלגן השפיעו על המוליכות של טנטלום דיסולפיד, וכאשר סטנלי וויטנגהם החל לחקור בפרטי פרטים את החומר הוא שם לב כי הוא בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד. יחסי הגומלין שבין יוני האשלגן לבין הטנטלום דיסולפיד היו, למרבה ההפתעה, עתירי אנרגיה, וכאשר הוא מדד את המתח של החומר, הערך היה מספר וולטים. תוצאה זו הייתה טובה יותר מרבות מהסוללות שהיו באותו זמן. סטנלי הבין עד מהרה שהגיע הזמן לשנות את הנתיב והחל לפתח טכנולוגיה חדשה שתוכל לאגור אנרגיה עבור הרכבים החשמליים של העתיד. אולם, טנטלום הוא אחד מהיסודות הכבדים יותר והשוק המסחרי לא היה צריך סוללות כבדות משקל נוספות – כך שהוא החליף את הטנטלום ביסוד טיטניום, יסוד דומה בתכונותיו אך קל משקל יותר.
ליתיום באלקטרודה השלילית
הבחירה בליתיום לא הייתה בחירה אקראית; בסוללה, אלקטרונים אמורים לזרום מהאלקטרודה השלילית – האנודה – לאלקטרודה החיובית – הקתודה. לפיכך, האנודה צריכה להכיל חומר המוותר בקלות על האלקטרונים שלו, ומכל היסודות המוכרים לנו, ליתיום הוא היסוד שמוותר על האלקטרונים שלו בקלות ביותר.
התוצאה הייתה סוללת ליתיום נטענת שפעלה בטמפרטורת החדר עם פוטנציאל אדיר. סטנלי וויטנגהם נסע למטה אקסון בניו-יורק כדי להציג את המיזם שלו. הפגישה נמשכה חמש עשרה דקות וחבר ההנהלה הגיע להחלטה מהירה: הם יפתחו סוללה מסחרית על בסיס התגלית של וויטנגהם.
עוד בנושא באתר הידען:
סוללות ליתיום מהדור הבא: משך פעילות גבוה יותר, זמן טעינה נמוך
חומר חדשני שיוכל לחולל פריצת דרך ברכבי מימן
לבנות סוללות טובות יותר
ישראל בוחנת טעינה אלחוטית של כלי רכב חשמליים
2019-10-09 10:17:49Z
https://news.google.com/__i/rss/rd/articles/CBMiZ2h0dHBzOi8vd3d3LmhheWFkYW4ub3JnLmlsL25vYmVsLXByaXplLWluLWNoZW1pc3RyeS1mb3ItMjAxOS1mb3ItbGl0aGl1bS1pb24tYmF0dGVyeS1kZXZlbG9wZXJzLTA5MTAxOTLSAQA?oc=5
Bagikan Berita Ini
0 Response to "פרס נובל בכימיה לשנת 2019 למפתחי סוללות ליתיום-יון - הידען"
Post a Comment