סוללות נתרן-יון: אלטרנטיבה לליתיום?

בעולם המהיר שבו אנו חיים, אנחנו תלויים יותר ויותר באנרגיה. מהטלפון החכם שבידכם, דרך המכונית החשמלית שנוסעת בכביש, ועד לרשתות החשמל הגדולות שמספקות אור לערים שלמות – כולם זקוקים לדרך לאחסן חשמל. סוללות הן הגיבורות הנסתרות שמאפשרות לכל זה לקרות.

במשך שנים רבות, סוללות הליתיום-יון היו המלכות הבלתי מעורערות של עולם אחסון האנרגיה. הן חזקות, קלות ומתאימות למגוון רחב של שימושים. אבל כמו לכל דבר טוב, גם לליתיום יש חסרונות – הוא יקר, כרייתו עלולה לפגוע בסביבה, ויש כמות מוגבלת ממנו בעולם.

כאן נכנסות לתמונה סוללות מסוג חדש ומבטיח: סוללות נתרן-יון. הן מציעות אפשרות מעניינת וחלופה אפשרית, או לפחות משלימה, לסוללות הליתיום-יון המוכרות. האם הן יצליחו לקחת את מקומן של הסוללות הוותיקות? בואו נצא למסע מרתק כדי להבין את עתיד אחסון האנרגיה.

מהי בכלל סוללה ואיך היא עובדת? (בקלות)

דמיינו שהחשמל הוא כמו "מיץ אנרגיה". סוללה היא כמו מיכל קסום שיכול לאגור את המיץ הזה ולשחרר אותו כשצריך. אבל איך זה קורה בפנים?

כל סוללה, בין אם היא קטנה כמו סוללה של שלט רחוק ובין אם היא ענקית כמו סוללה של מכונית חשמלית, מורכבת מכמה חלקים עיקריים:

• שני צדדים: צד אחד שנקרא אנודה (הצד השלילי) וצד שני שנקרא קתודה (הצד החיובי).
• נוזל או ג'ל מיוחד: שנקרא אלקטרוליט. דרכו עוברים חלקיקים קטנים מאוד שנקראים "יונים". אפשר לחשוב עליהם כעל "שליחים" של המיץ אנרגיה.
• מחיצה דקה: שנקראת מפריד. היא מונעת מהצדדים החיובי והשלילי לגעת זה בזה, אבל מאפשרת ליונים לעבור דרכה.

איך הסוללה נטענת ופורקת חשמל?

• בזמן טעינה: אנחנו דוחפים את "מיץ האנרגיה" לסוללה. השליחים הקטנים (היונים) נעים מצד אחד לצד השני בתוך הסוללה, ונאגרים שם.
• בזמן פריקה (כשמשתמשים בה): כשאנחנו מחברים את הסוללה למכשיר (כמו טלפון), השליחים הקטנים רוצים לחזור למקום שממנו באו. הם עוברים חזרה דרך המכשיר, ובדרך זו יוצרים זרם חשמלי – זהו ה"מיץ אנרגיה" שמתחיל לזרום ומפעיל את המכשיר.

כל הסוללות פועלות על עיקרון דומה, אבל הן משתמשות בחומרים שונים כדי להשיג יעילות שונה. בואו נראה איך זה עובד עם ליתיום ועם נתרן.

סוללות ליתיום-יון: הגיבורות של היום

סוללות הליתיום-יון הן אלו שאנו מכירים ואוהבים. הן נמצאות כמעט בכל מקום שדורש אחסון אנרגיה נייד וחזק. הן התחילו את דרכן בסוף שנות ה-80 ותחילת שנות ה-90, ומאז הן רק משתפרות ומתפשטות.

למה סוללות ליתיום-יון כל כך פופולריות?

• כוח עצום בגודל קטן: הן יכולות לאגור הרבה "מיץ אנרגיה" בתוך גודל קטן ומשקל קל. זה הופך אותן למושלמות עבור טלפונים דקים, מחשבים ניידים קלים ומכוניות חשמליות שנוסעות רחוק.
• יעילות גבוהה: הן מנצלות את האנרגיה היטב ולא מבזבזות הרבה ממנה כחום.
• חיים ארוכים יחסית: הן יכולות להיטען ולהיפרק פעמים רבות לפני שהן מתחילות לאבד מכוחן.

היכן אנו פוגשים סוללות ליתיום-יון?

• במכשירים אישיים: טלפונים חכמים, טאבלטים, מחשבים ניידים, שעונים חכמים.
• בכלי רכב: מכוניות חשמליות, אופניים חשמליים, קורקינטים חשמליים.
• באחסון אנרגיה גדול: לתחנות כוח סולאריות או רוח, שם הן אוגרות את האנרגיה שנוצרת בשעות השמש או הרוח, ומשחררות אותה כשאנרגיה טבעית לא זמינה.

הצד השני של המטבע: האתגרים עם ליתיום

למרות כל היתרונות, לליתיום יש גם חסרונות שגרמו למדענים לחפש חלופות:

• משאב יקר ומוגבל: ליתיום אינו נמצא בכל מקום. הוא מרוכז במקומות ספציפיים בעולם (בעיקר בדרום אמריקה ובאוסטרליה). ככל שיש פחות ממשהו, הוא הופך ליקר יותר.
• השפעה על הסביבה: תהליך כריית הליתיום דורש שימוש רב במים ועלול לפגוע בסביבה המקומית. בנוסף, חומרים אחרים שמשמשים בסוללות ליתיום-יון, כמו קובלט וניקל, גם הם יקרים וכרייתם עלולה להיות בעייתית.
• בטיחות: במקרים מסוימים, סוללות ליתיום-יון עלולות להתחמם יתר על המידה ואף להתלקח, אם כי מדובר במקרים נדירים יחסית והטכנולוגיה משתפרת כל הזמן.

האתגרים הללו הובילו את עולם המדע לחפש חומרים אחרים שיוכלו לשמש כ"שליחים" בסוללות, והינה נכנס לתמונה הנתרן.

סוללות נתרן-יון: התקווה החדשה

נתרן-יון? זה נשמע דומה לליתיום-יון, ולא במקרה. ליתיום ונתרן הם "קרובי משפחה" בטבלה המחזורית של היסודות הכימיים, מה שאומר שהם מתנהגים בצורה דומה בתהליכים כימיים, כולל בתהליכים שקורים בסוללות.

למה דווקא נתרן?

הנתרן הוא יסוד מאוד נפוץ על פני כדור הארץ. למעשה, הוא נמצא בשפע במלח בישול (נתרן כלורי), במי ים ובסלעים רבים. בגלל שהוא כל כך נפוץ, הוא זול משמעותית מליתיום, וכרייתו פחות בעייתית מבחינה סביבתית.

קצת היסטוריה (בקיצור)

הרעיון של סוללות נתרן-יון אינו חדש. למעשה, מחקרים על סוללות מבוססות נתרן החלו עוד לפני סוללות הליתיום. אבל בזמנו, סוללות הליתיום הציעו יתרונות גדולים יותר בכוח ובגודל, ולכן הן קיבלו את רוב תשומת הלב של המדענים והחברות. עכשיו, עם הצורך הגובר באנרגיה והאתגרים של הליתיום, הנתרן חוזר לקדמת הבמה.

איך סוללות נתרן-יון עובדות? (בדומה לליתיום, אבל שונה)

העיקרון הכללי של פעולת סוללת נתרן-יון זהה לזה של סוללת ליתיום-יון: יונים נעים בין שני צדדים (אנודה וקתודה) דרך אלקטרוליט, וכך נוצר או נאגר חשמל.

ההבדל העיקרי: גודל השליח

ההבדל המשמעותי הוא שיוני הנתרן גדולים יותר מיוני הליתיום. תארו לעצמכם שיוני הליתיום הם כמו כדורים קטנים ומהירים, ויוני הנתרן הם כמו כדורים קצת יותר גדולים וכבדים.

בגלל הגודל השונה, צריך להשתמש בחומרים שונים עבור האנודה והקתודה כדי שיוכלו "לארח" את יוני הנתרן הגדולים. המדענים עובדים קשה כדי למצוא את החומרים הטובים ביותר שיאפשרו ליוני הנתרן לנוע בקלות וביעילות בתוך הסוללה.

היתרונות של סוללות נתרן-יון: מה הופך אותן למבטיחות?

לסוללות נתרן-יון יש כמה יתרונות מרכזיים שהופכים אותן לכל כך מעניינות עבור עתיד אחסון האנרגיה:

1. שפע ועלות נמוכה

זהו היתרון הגדול ביותר. נתרן הוא יסוד נפוץ מאוד, מה שהופך אותו לזמין וזול יותר לייצור סוללות. זה אומר שבטווח הארוך, סוללות נתרן-יון יכולות להיות זולות יותר לייצור מרגע שהייצור ההמוני יתחיל.

2. בטיחות משופרת

בסוללות נתרן-יון יש פחות סיכון להתחממות יתר או לשריפה בהשוואה לסוללות ליתיום-יון מסוימות. זה נובע מכך שחומרי האלקטרוליט בהם משתמשים בסוללות נתרן-יון יציבים יותר ובטוחים יותר בטמפרטורות גבוהות. זה חשוב מאוד עבור יישומים גדולים כמו אחסון אנרגיה ברשת החשמל, שם הבטיחות היא מעל הכל.

3. ביצועים טובים יותר בקור

מחקרים מראים שסוללות נתרן-יון עשויות לתפקד טוב יותר בטמפרטורות קרות מאוד בהשוואה לסוללות ליתיום-יון. זה יתרון משמעותי עבור מדינות קרות או יישומים שבהם הסוללה חשופה לתנאי מזג אוויר קשים.

4. ידידותיות יותר לסביבה

מעבר לעלות הנמוכה של חומר הגלם, תהליך ייצור סוללות נתרן-יון יכול להיות פחות מזהם. בנוסף, רכיבי הסוללה אינם כוללים מתכות נדירות ויקרות כמו קובלט או ניקל, אשר כרייתן מזיקה לסביבה ומובילה לבעיות אתיות. זהו צעד חשוב לעבר עתיד ירוק ובר קיימא יותר.

5. פריקה עמוקה ללא נזק

סוללות נתרן-יון יכולות להיפרק כמעט לחלוטין (עד 0 וולט) ללא נזק משמעותי לסוללה. זהו יתרון משמעותי לעומת סוללות ליתיום-יון, שלרוב דורשות רמה מסוימת של טעינה כדי למנוע נזק בלתי הפיך.

האתגרים והחסרונות של סוללות נתרן-יון

למרות כל היתרונות, סוללות נתרן-יון עדיין לא מושלמות, ויש להן כמה חסרונות שדורשים פתרונות מהמדענים:

1. צפיפות אנרגיה נמוכה יותר

זהו האתגר הגדול ביותר. יוני הנתרן גדולים וכבדים יותר מיוני הליתיום. המשמעות היא שעבור אותה כמות "מיץ אנרגיה", סוללת נתרן-יון תהיה גדולה וכבדה יותר מסוללת ליתיום-יון. זה פחות מתאים למכשירים קטנים וקלים כמו טלפונים, או למכוניות חשמליות שרוצות לנסוע למרחקים ארוכים במיוחד עם סוללה קטנה וקלה.

2. אורך חיים וקצב טעינה

נכון להיום, סוללות נתרן-יון נוטות להיות בעלות אורך חיים קצר יותר (מספר מחזורי טעינה ופריקה) וקצב טעינה איטי יותר בהשוואה לסוללות ליתיום-יון. עם זאת, המחקרים מתקדמים במהירות, והביצועים האלה משתפרים כל הזמן.

3. הטכנולוגיה עדיין צעירה יחסית

סוללות נתרן-יון עדיין נמצאות בשלבי פיתוח והתפתחות מוקדמים יותר מאשר סוללות ליתיום-יון, אשר נמצאות בשימוש עשרות שנים. יש צורך בהרבה מחקרים ופיתוחים כדי לשפר את הביצועים, להפחית את העלויות ולייעל את תהליכי הייצור ההמוני.

טבלה: השוואה פשוטה בין ליתיום לנתרן

כדי להבין טוב יותר את ההבדלים, הנה טבלה קצרה המסכמת את הנקודות העיקריות:

מאפיין	סוללות ליתיום-יון	סוללות נתרן-יון
זמינות ועלות חומר גלם	נדיר ויקר יחסית	שופע וזול מאוד
צפיפות אנרגיה (כוח ביחס לגודל/משקל)	גבוהה (מתאים למכשירים קטנים ורכבים ארוכי טווח)	נמוכה יותר (יותר גדול וכבד לאותו כוח)
בטיחות	בטוחות ברוב המקרים, אך עם סיכון קטן להתחממות/שריפה	בדרך כלל בטוחות יותר, פחות סיכון להתחממות
ביצועים בקור	עלולים לסבול ירידה בביצועים	טובים יותר בטמפרטורות קרות
השפעה סביבתית	כרייה יקרה ומזהמת לעיתים, כוללת מתכות נדירות	פחות מזהמת, אינה כוללת מתכות נדירות
מצב טכנולוגי	בשל ומפותח מאוד	בשלבי פיתוח מתקדמים, נכנס לשוק

יישומים: איפה סוללות נתרן-יון יכולות להצטיין?

למרות צפיפות האנרגיה הנמוכה יותר, ישנם תחומים רבים שבהם סוללות נתרן-יון יכולות להיות פתרון מצוין ואף עדיף:

1. אחסון אנרגיה ברשת החשמל (Grid Storage)

זהו אחד התחומים המבטיחים ביותר. כאשר אנו מייצרים חשמל מאנרגיה סולארית או רוח, האנרגיה לא תמיד מיוצרת בדיוק כשצריך אותה. סוללות ענקיות יכולות לאגור את האנרגיה הזו ולשחרר אותה בשעות העומס או כשאין שמש/רוח. עבור יישומים אלה, הגודל והמשקל פחות קריטיים, אך העלות והבטיחות חשובות מאוד. כאן, סוללות נתרן-יון זולות ובטוחות יכולות להיות פתרון אידיאלי.

למידע נוסף על השקעות עתידיות וטכנולוגיות חדשניות, בקרו באתר kesef.io.

2. כלי רכב חשמליים בעלות נמוכה

עבור קורקינטים חשמליים, אופניים חשמליים, או אפילו מכוניות חשמליות קטנות המיועדות לנסיעה בתוך העיר (שאינן דורשות טווח נסיעה ארוך במיוחד), סוללות נתרן-יון יכולות להציע פתרון חסכוני ובטוח.

3. גיבוי אנרגיה לבתים ועסקים

כמו גנרטורים, אבל שקטים וירוקים יותר. סוללות נתרן-יון יכולות לספק גיבוי חשמל במקרה של הפסקת חשמל, או לאגור אנרגיה סולארית המיוצרת על גג הבית לשימוש בשעות הערב.

4. מכשירים שאינם דורשים צפיפות אנרגיה גבוהה

מערכות תאורת רחוב סולאריות, ציוד תקשורת באזורים מרוחקים, ויישומים תעשייתיים שונים יכולים ליהנות מהעלות הנמוכה והבטיחות של סוללות נתרן-יון.

הפן הסביבתי: בדרך לעתיד ירוק יותר

המעבר לסוללות נתרן-יון הוא צעד חשוב בדרך לעתיד ירוק ובר קיימא יותר. השימוש בחומרים זמינים ובטוחים יותר מפחית את התלות במשאבים נדירים ומזהמים. זה אומר פחות פגיעה באדמה, פחות זיהום מים ופחות פליטות פחמן הקשורות לכרייה ולייצור.

יתרה מכך, סוללות נתרן-יון קלות יותר למיחזור בסוף חייהן, מה שתורם להפחתת הפסולת האלקטרונית וליצירת מעגל חיים סגור יותר עבור חומרי הגלם.

עתיד הסוללות: האם נתרן יחליף את ליתיום?

השאלה הגדולה היא האם סוללות נתרן-יון יחליפו לחלוטין את סוללות הליתיום-יון. התשובה, ככל הנראה, היא לא – לפחות לא בעתיד הנראה לעין.

סביר להניח שנראה עתיד שבו שני סוגי הסוללות, יחד עם טכנולוגיות אחסון אנרגיה אחרות, יפעלו זו לצד זו. כל טכנולוגיה תתאים ליישומים שונים שבהם היא מצטיינת:

• סוללות ליתיום-יון: ימשיכו להיות הבחירה המועדפת למכשירים קטנים וקלים ולכלי רכב חשמליים בעלי טווח נסיעה ארוך במיוחד, שם כל גרם וכל סנטימטר משנה.
• סוללות נתרן-יון: יצליחו במיוחד באחסון אנרגיה בקנה מידה גדול, ברכבים עירוניים קטנים, ובכל מקום שבו עלות נמוכה, בטיחות גבוהה וזמינות חומרים הם הדברים החשובים ביותר, גם אם זה בא על חשבון גודל ומשקל.

החדשות הטובות הן שהתחרות והמחקר בתחום אחסון האנרגיה מניעים את העולם קדימה. ככל שהטכנולוגיות משתפרות, כך אנו מקבלים פתרונות טובים, זולים וידידותיים יותר לסביבה. חברות רבות כבר החלו לייצר סוללות נתרן-יון בכמויות קטנות, והעתיד נראה מבטיח מאוד.

חדשנות וטכנולוגיה עתידית הם נושאים מרתקים המשפיעים על הכלכלה ועל חיי היומיום שלנו. למידע נוסף על טכנולוגיות פורצות דרך, בקרו ב-kesef.io.

לסיכום

סוללות הנתרן-יון הן בהחלט אלטרנטיבה מרתקת לסוללות הליתיום-יון, ולא רק אלטרנטיבה – הן פתרון משלים חשוב. הן מציעות תקווה גדולה לעולם שבו אנרגיה נקייה תהיה זמינה ובמחיר סביר לכולם. עם שפע חומר הגלם, הבטיחות המשופרת וההשפעה הסביבתית המופחתת, סוללות נתרן-יון עשויות לשנות את האופן שבו אנו אוגרים ומשתמשים באנרגיה.

המסע לפיתוח סוללות טובות יותר עדיין נמשך, והעתיד צופן בחובו פתרונות אחסון אנרגיה רבים ומגוונים שיעזרו לנו לבנות עולם מודרני, יעיל וירוק יותר. זוהי השקעה חכמה בעתיד.