חדשות רכב ותחבורה

האם הסינים פיצחו את סוד הסוללות לרכב חשמלי?

משנה חברת סטארט אפ סינית החלה להפעיל קו ייצור ראשון של 'סוללות מצב מוצק' – האם הסינים הם הראשונים להשיג את "הגביע הקדוש" בתחום אגירת החשמל?

0

אחת החזיתות הסוערות ביותר בתקופה זאת במאבק הטכנולוגי בין סין, קוריאה, יפן, ארצות הברית ואירופה היא תחום אגירת האנרגיה בכלל, ומשאבי הייצור של סוללות לרכב חשמלי בפרט. המאבק ניטש בראש ובראשונה סביב פריצת הדרך הנדרשת בטכנולוגיית האגירה עצמה, כלומר הסוללות, אבל לא פחות מזה סביב אמצעי ייצור וחומרי הגלם שנדרשים כדי לספק ביקוש כמעט אינסופי כרגע.

 

 

הזוכים במאבק הזה מתמודדים על שוק אדיר שמתפתח במהירות וכולל את תעשיות הרכב, האלקטרוניקה והאנרגיה המתחדשת – שכל אחת מהן זקוקה לכמויות עצומות של יכולת אגירת חשמל.
על רקע זה ייתכן שהחדשות שמגיעות כעת מסין הן לא פחות מאשר דרמטיות: בשבוע שעבר נחנך בעיר קונשאן, במחוז ג'יאנגסו שבמזרח סין, קו ייצור ראשון ל"סוללות מצב מוצק" שנחשבות ל"גביע הקדוש" בתחום אגירת אנרגיה. על פי דיווחים בתקשורת הסינית הקימה את קו הייצור הזה חברת סטארט אפ סינית בשם צ'ינג טאו אנרגיה, אשר גייסה והשקיעה 144 מיליון דולר בפיתוח הסוללות ובהקמת מפעל הייצור שלהן.

בהנחה שהידיעות נכונות הרי שמדובר גם במקור עצום לגאווה סינית, היות שלא מדובר ברכישה של חברה זרה וייבוא הטכנולוגיה שלה אלא בחברה שהתפתחה מתוך מחקר של אנשי אוניברסיטת טסינגווה הסינית.
למפעל של החברה, כך לפי הדיווחים מסין, יש כרגע כושר ייצור של סוללות בקיבולת של 100 מגאווט/שעה בשנה, וכושר הייצור הזה יפותח עד ל-700 מגאווט/שעה בתוך כשנתיים. לדברי הסינים, סוללות "מצב מוצק" של החברה משיגות צפיפות אנרגיה של יותר מ-400 וואט/שעה לקילוגרם חומר, וזאת לעומת קיבולת אנרגיה ממוצעת של בין 250 ל-300 וואט/שעה לקילוגרם בסוללות ליתיום-יון המתקדמות ביותר כיום.

טכנולוגיית "סוללות מצב מוצק", כשמן כן הן, נבדלות מרוב הסוללות (הנטענות והגדולות) שמוכרות לנו כיום בכך שהן לא מכילות נוזל אלקטרוליטי, ובמקומן מועבר החשמל דרך תווך מוצק או דמוי ג'ל. למדיום עצמו יש חשיבות עצומה עבור תעשיית הרכב, היות שסוללות מצב מוצק אמורות שלא להתלקח בעת טעינה מהירה או בכלל, הן פחות מתחממות בעת טעינה, הרבה יותר קל לעצב אותן לתצורות מותאמות לעיצוב הכללי של כלי רכב, והן בטוחות יותר לשימוש גם בתפעול שוטף ובעת תאונה.

 

 

חברת 'דייסון', שידועה בעיקר בזכות שואבי האבק הפטנטיים שלה, הכריזה בשנה שעברה על כוונתה להיכנס לתחום ייצור רכב, וזאת בזכות העובדה שהיא רכשה כשנתיים קודם לכן את חברת הסטארט אפ Sakti3 שמפתחת טכנולוגיה לסוללות מצב מוצק, וכמעט כל יצרניות הרכב – מטויוטה וניסאן, דרך פולקסווגן, ב.מ.וו, הונדה, יונדאי ועוד – מחפשות בנרות שותפות אסטרטגיות לפיתוח וייצור סוללות כאלה.

בשנת 2014 הכריזה טויוטה על תחיל הפיתוח של סוללת מצב מוצק ובשנה שעברה היא הכריזה על הסכם אסטרטגיה ארוך טווח עם חברת פנאסוניק לפיתוח וייצור משותפים של סוללות כאלה. במקביל השקיעה פולקסוואגן 100 מיליון דולר בחברת הסטארט אפ QuantumScape מן העיר סטנפורד שבקליפורניה, וב.מ.וו. חברה אל חברת 'Solid Power' האמריקנית כדי לפתח סוללות מצב מוצק עבור הדור הבא של כלי רכב חשמליים שהם מפתחים. גם יצרנית המצתים ("פלאגים") הוותיקה NGK הכריזה שהיא מפתחת סוללות מוצקות שמבוססות על קרמיקה, וזאת תוך ניצול המומחיות ארוכת השנים שלה בעבודה עם החומר הזה.

כאמור, סוללה במצב מוצק מאפשרת צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ולכן גם תכולת אנרגיה גבוהה ביחס לנפח ולמשקל, ובתוך כדי כך היא גם עמידה בטמפרטורות גבוהות יותר ואין בה מרכיבים מסוכנים או רעילים. ההנחה היא שסוללות כאלה יאפשרו טעינה מהירה יותר באופן שיהיה גם בטוח וגם פחות מזיק לאורך החיים של הסוללה – לכן הן נחשבות לנחשקות מאד עבור יצרניות רכב לשימוש במכוניות חשמליות והיברידיות.

את הסטארט אפ הסיני צ'ינג טאו מוביל נאן קיוואן, חבר האקדמיה הסינית למדעים, והוא ייסד את החברה בשנת 2014 יחד עם מספר דוקטורים אחרים מסגל אוניברסיטת טסינגווה (Tsinghua). לדברי נאן, החברה נמצאת בקשר עם חברות מובילות בתעשיית הרכב, בהן פולקסווגן וטויוטה. "היפטרות מאלקטרוליטים נוזליים יכולה להבטיח שסוללה לא תהיה דליקה, והיא יכולה להיות מיוצרת בעיצובים גמישים", אמר נאן.

מה זה מצב מוצק?

בסוללת מצב מוצק נעשה שימוש באלקטרודות מוצקות ובאלקטרוליטים מוצקים במקום באלקטרוליטים נוזליים או בפולימרים שנמצאים בסוללות ליתיום-יון או ליתיום פולימר. מי שגילה את האלקטרוליטים המוצקים במקור היה מייקל פאראדיי, שערך ניסיונות עם גופרית, כסף ופלואוריד. בסוף שנות החמישים של המאה הקודמת נעשו מאמצים לפתח סוללה מוצקה, ובמהלך השנים הוצע שימוש בחומרים שונים כאלקטרוליטים מוצקים, בהם קרמיקה, זכוכית, גופרית וליתיום. סוללות ראשונות מסוג זה, שהתבססו על יון כסף כמוליך אלקטרולי השיגו צפיפות אנרגיה נמוכה מידי עם התנגדות פנימית גבוהה מידי.

 

פריצת דרך משמעותית התרחשה בתחילת שנות ה-90 במעבדה הלאומית Oak Ridge, ולפני כחמש שנים, בשנת 2013, הכריזו חוקרים מאוניברסיטת קולורדו על פיתוח סוללת ליתיום מוצקה עם קתודה מתרכובת של ברזל וגופרית. כשנה לאחר מכן התרחשה פריצת דרך נוספת כאשר חברת הסטארט אפ Sakti3 הכריזה על פיתו סוללת ליתיום יון מוצקה וטענו שהשיגו צפיפות אנרגיה גבוהה יותר עלות נמוכה יותר מבעבר. חברה זאת, כאמור, נרכשה בשנת 2015 על ידי חברת דייסון.

בשנה שעברה הכריז ג'ון גודנוף (Goodenough), אחד מן השותפים להמצאת סוללת הליתיום, על סיום הפיתוח של סוללת מצב מוצק עם אלקטרוליטים על בסיס זכוכית ואנודה מתרכובת של ליתיום, נתרן או אשלגן, ואילו השנה (2018) הכריזה חברת 'סוליד פאוור', שותפתה האסטרטגית של ב.מ.וו, על גיוס של 20 מיליון דולר לצורך הקמת קו ייצור קטן לייצור סוללות ליתיום-מתכת מוצקות.
נכון לימינו נאלצות יצרניות הרכב להשתמש בטכנולוגיות סוללה מיושנות יחסית, לא מספיק יעילות ולא די בטוחות, בעיקר בניקל-מטאל היברידי ובליתיום-יון, והאלטרנטיבה היחידה האחרת היא "קבל חשמל כפול שכבת" (ultracapacitor).

החסמים שעליהם צריכים כל הגופים האלה להתגבר נוגעים בראש ובראשונה בסוגיית המחיר של הסוללות. אך לפני 6 שנים העריכו מומחים בעולם שבהתבסס על הטכנולוגיה שהייתה קיימת באותה עת תגיע העלות של סוללת מצב מוצק עם תכולת אנרגיה של 20 אמפר/שעה כ-100 אלף דולר, ומכונית חשמלית זקוקה לכ-800-1000 תאים כאלה.
מחירי הסוללות האלה היו כל כך גבוהים עד שאי אפשר היה להשתמש בהן אפילו עבור מכשירים שזקוקים לסוללות הרבה יותר קטנות כמו מחשבים נישאים וטלפונים חכמים. נקודת תורפה נוספת של סוללות מצב מוצק היא רמת תפקוד נמוכה בטמפרטורות נמוכות.

תפוקה צנועה מאד

כדי לשים דברים בפרופורציות, ולצנן מעט את ההתלהבות המוצדקת, צריך לסייג ולהזכיר שהתפוקה המרבית של קו הייצור שהוקם בסין תספיק בשלב זה לייצור של מקסימום 2,000 כלי רכב חשמליים בשנה, ושהביקוש הרב לסוללות עבור מוצרי צריכה אלקטרוניים עלול לבוא על חשבון המספר הזה. ובכל זאת, אם הסינים באמת פיצחו את סוד הסוללות המוצקות והם יהיו תחרותיים במחיר מול סוללות ליתיום יון המוכרות לנו – הרי שאין מניעה לשכפל את קוו הייצור הזה גם למקומות נוספים בסין ובעולם כולו.