למה סוללות מתפוצצות ומה הפתרון?

סוללות נטענות מסוג ‭Lithium-ion‬ (או כפי שהן מוכרות יותר, ‭(Li-Ion‬ נפוצות במיוחד בעשור האחרון, בעיקר במוצרי צריכה אלקטרוניים, כמו טלפונים ניידים, נגני מוזיקה ומחשבים נישאים. הסוללות הללו מצטיינות במשקל נמוך מול קיבולת אנרגיה גבוהה, הן נטולות ”אפקט זיכרון” (שגורם לאובדן אנרגיה אם הסוללה לא נפרקה לחלוטין

לפני טעינה מחדש) וכמעט ולא סובלות מפריקה עצמאית כשהסוללה לא בשימוש.

הבעיה היא, מתברר, שסלולות ‭Lithium-ion‬ יכולות להיות מאוד לא חברותיות אם אינן מקבלות יחס מתאים. הן, למשל, לא אוהבות חום קיצוני ולא פריקה מוגזמת ועוד.

הסיכונים שבסוללות ידועים זה מכבר. לכן פותחו עם השנים מארזים חכמים, הכוללים תאי סוללה ומנגנוני בטיחות, שיבטיחו שאיש לא יבצע בהן שימוש לא סביר או מסוכן. למשל, ניתוק אוטומטי במקרה של חימום יתר, אזורים נתיקים שייקרעו בקלות בזמן לחץ וימנעו פיצוץ, ואפילו מפסק טרמי למקרה של טעינת ייתר.

סוללות חכמות כוללות לפחות חלק מהמנגנונים הללו בתוך מארז הסוללה עצמו. מעגלי הגנה חדישים יכולים, למשל, לזהות פיצוץ מתקרב ו”לפתוח חלון” בסוללה כדי לשחרר סילון של גז רותח, שימנע או יקטין את ההתפוצצות. הסילון הזה נשמע אולי רע במיוחד אבל הוא בטח עדיף על פיצוץ.

אז למה בכל זאת זה מתפוצץ?

התשובה מזכירה מחלות בבני-אדם: זיהום פנימי חמור בתוך חלל הסוללה עלול לפגוע במנגנוני ההגנה. פרשת הסוללות המתפוצצות של סוני היא דוגמה טובה: היא נבעה מזיהום פנימי של חלקיקי מתכת בתוך תאי ה‭.Lithium-ion-‬ נסיבות מסוימות אלו יכולים לנקב את השכבה המפרידה בין חלקי הסוללה וליצור קצר פנימי, שיהפוך במהירות את כל האנרגיה האגורה בסוללה לחום, מה שעלול להסתיים בפיצוץ ציפוי המתכת של הסוללה ושחרור חומרים רעילים בטמפרטורה שיכולה להגיע ל־600 מעלות. חוויה לא סימפטית אם בדיוק באותו רגע החזקתם את המחשב נייד על הברכיים.

איש לא בונה סוללות בציפייה שהן יתפוצצו בשימוש סביר. אבל היצרנים מכירים את הסטטיסטיקה ואת ההסתברות שאחוז קטן מתאיהן יתפוצץ. הם מחשבים את הסבירות לבעיות כאלה לפי מדד מיוחד המכונה ‭.MTBF‬

סוללות ‭Li-Ion‬ מזדקנות מהר, בניגוד לסוללות מסוג ניקל מטאל ואפילו ניקל קדמיום הוותיקות. הן מתיישנות כבר מן מהרגע שבו יצאו מהמפעל וכמעט אף פעם לא שורדות מעבר לשנה השלישית לקיומן, בלי קשר לכמות מחזורי הטעינה שלהן. מכאן, שהסבירות שיגיעו לכשל שיביא לפיצוץ - נמוכה. רובן פשוט יפסיקו לעבוד יום אחד. שלוש שנים, אגב, הן בסך הכול 26 אלף שעות וקצת, די מעט במונחים של זמן ממוצע בין תקלות.

אגב, לטלפונים ניידים, כידוע, יש חיי מדף קצרים אפילו יותר - מה שגורם להם להיראות כאילו הם חסינים לתקלות בסוללות. הם לא.

טכנולוגיה יותר בטוחה?

מעבדות המחקר האגדיות של MIT מפתחות באחרונה רעיון אוונגרדי למדי: שימוש בווירוסים כדי לייצר חוטים סופר־דקיקים, שישמשו ליצירת סוללות ‭lithium-ion‬ אולטרה דקות עם צפיפות אנרגיה משולשת.

גם באוניברסיטת ת"א שלנו פיתחו קבוצות המחקר של פרופ׳ מנחם נתן מהפקולטה להנדסה והחוקרים עמנואל פלד ודינה גולודניצקי מהפקולטה למדעים מדויקים, טכנולוגיית ננו־סוללות, שמשלבת מספר גדול של סוללות

 זעירות (כ־30 אלף לסנטימטר מרובע) המחוברות במקביל. זוהי ארכיטקטורה, שיכולה לספק כמות גדולה של אנרגיה ללא סכנת חימום יתר. ואלו לא הדוגמאות היחידות.

במישור המעשי - כבר היום קיימות סוללות ‭lithium-ion‬ בטוחות משמעותית, אבל יצרני המחשבים והטלפונים החליטו שאנחנו לא באמת זקוקים להן: כרגע נעשה בהן שימוש לרכבים חשמליים ולציוד הדורש כמות אנרגיה גדולה ובעל צרכי בטוחות קריטיים: סוללה של רכב שמתפוצצת עלולה לגרום הרבה יותר נזק מכוויות קלות של סוללת טלפון.

בפועל, אגב, שימוש בחומרים בטוחים יותר מוריד את יכולת הקיבול של ‭Li-Ion‬ ב־25 אחוז, ובמבחן הזה - של זמן הדיבור מול הסיכון בפיצוץ - מישהו בחר ללכת על הצד הפחות בטוח.

לטלפונים ניידים תאי סוללה הרבה יותר קטנים ממחשבי מחברת. פיצוץ של תא קטן, מצד אחד, אינו נחשב דרמטי. מצד שני, טלפון סלולרי נמצא בהרבה מקרים בכיס המכנס או צמוד לפנים - לא בדיוק האזורים המועדפים לספיגה של גז לוהט, או טמפרטורות קיצוניות.