חזרה לרשימה
על הזוכה
מקבל פרס ישראל לשנת תשפ"ג בתחום חקר הכימיה.
פרופסור עמנואל פלד הינו מדען וחוקר בעל שם עולמי בתחום המחקר והפיתוח של סוללות ותאי דלק, ומחלוצי טכנולוגיית סוללות הליתיום. פרופ' פלד היה הראשון בארץ שהקים מעבדת מחקר המתמחה בסוללות ותאי דלק באקדמיה, וכבר בתחילת דרכו המדעית (1979) הציע מודל פורץ דרך להבנת תהליכי מעברי יונים אלקליים בממשק הביניים בין האנודה המתכתית והאלקטרוליט הנוזלי. המודל, שכונה מודל ה־Solid Electrolyte Interphase (SEI), סיפק הסבר חדשני למנגנון הבסיסי שלפיו פועלות כל סוללות הליתיום־יון, הליתיום, הנתרן, והאשלגן המתכתיים. המודל והבנתו היוו את הבסיס לפיתוח של סוללות הליתיום־יון, המשמשות כיום להנעת רכבים חשמליים, להפעלת ציוד אלקטרוני נייד, ולאגירת אנרגיה בת־קיימא.
התכנים בעמוד
נימוקי השופטים
השופטים: פרופ' דן מאירשטיין - יושב ראש, פרופ' בלהה פישר, פרופ' גיטי פריי, פרופ' אורי צ'שנובסקי
פרופסור עמנואל פלד הינו מדען וחוקר בעל שם עולמי בתחום המחקר והפיתוח של סוללות ותאי דלק, ומחלוצי טכנולוגיית סוללות הליתיום. פרופ' פלד היה הראשון בארץ שהקים מעבדת מחקר המתמחה בסוללות ותאי דלק באקדמיה, וכבר בתחילת דרכו המדעית (1979) הציע מודל פורץ דרך להבנת תהליכי מעברי יונים אלקליים בממשק הביניים בין האנודה המתכתית והאלקטרוליט הנוזלי. המודל, שכונה מודל ה־Solid Electrolyte Interphase (SEI), סיפק הסבר חדשני למנגנון הבסיסי שלפיו פועלות כל סוללות הליתיום־יון, הליתיום, הנתרן, והאשלגן המתכתיים. המודל והבנתו היוו את הבסיס לפיתוח של סוללות הליתיום־יון, המשמשות כיום להנעת רכבים חשמליים, להפעלת ציוד אלקטרוני נייד, ולאגירת אנרגיה בת־קיימא.
מודל ה־SEI מניח שהצעד קובע המהירות בתהליך השיקוע וההמסה של ליתיום (טעינה ופריקה של הסוללה) הוא נדידה של קטיון הליתיום בתווך המוצק שנוצר מתגובה ספונטנית של תמיסת האלקטרוליט עם מתכת הליתיום. המודל מספק משוואות לחישוב פרמטרים קינטיים, קצב קורוזיה של האנודה, קצב הגידול של עובי שכבת ה־ SEI והתנגדות הסגולית של שכבה זו. המודל המורחב מקיף ביותר, מבאר את התנאים במשך חיי הסוללה, ומציע דרכים ושיטות להאריכם.
בתחילה התקבל מודל ה־SEI בספקנות בקרב הקהילה המדעית, ורק כעבור כעשר שנים הכירו החוקרים הפועלים בתחום בחיוניותו להבנת דרכי הפעולה של סוללות הליתיום המפותחות. ואכן, הוועדה השוודית לפרס נובל לכימיה לשנת 2019 (שניתן לשלושת מפתחי סוללת הליתיום־יון) ציינה את המאמר של פרופ' פלד על מודל ה־SEI מ־1979 כאחת מאבני היסוד שהובילו לפיתוח סוללות הליתיום־יון.
פרופ' פלד הינו חלוץ בטכנולוגיות חשובות נוספות לצבירה והמרה של אנרגיה, כמו פיתוח סוללת ליתיום־גופרית נטענת בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה שתאפשר לרכב חשמלי טווח נסיעה של 500 ק"מ, סוללות ליתיום־תיוניל כלוריד לעבודה בטמפרטורות גבוהות, סוללות נתרן־חמצן, כמו גם אלקטרוליטים פולימריים לסוללות נטענות, סוללות זעירות במבנים תלת־ממדיים ועוד. לפיתוחים אלו חשיבות עליונה ותרומה משמעותית למאבק במשבר האקלים הפוקד את כדור הארץ.
רבים מתלמידיו של פרופ' פלד תופסים עמדות בכירות בתעשייה, במשרדי הממשלה ובמערכות הביטחון. בוגרים אלו קידמו ומקדמים בארץ את התשתית המחקרית והתעשייתית לפיתוח מקורות אנרגיה המבוססים על תהליכים אלקטרוכימיים. מקורות אלו, במיוחד סוללות ליתיום ותאי דלק, אשר משמשים כמקור אנרגיה לרכבים חשמליים, צפויים לשפר את איכות החיים שלנו על ידי הקטנה ניכרת של זיהום הסביבה.
לתרומותיו המדעיות של פרופ' פלד מצטרפות גם תרומות משמעותיות לביטחון ולתעשייה בישראל, כולל פיתוח סוללות תרמיות לשימוש בטילים בשנים שבהן היה חרם על מכירת סוללות תרמיות לישראל, שיתוף פעולה עם חיל הים לשיפור תאי הדלק במערך כלי השיט, והקמת חברות הזנק על בסיס הידע שפותח במעבדתו.
על מעמדו המדעי הבין־לאומי, על מחקריו החשובים ופורצי הדרך בתחום הסוללות, ועל תרומתו לתעשייה ולביטחון ישראל מצאה ועדת השופטים את פרופ' עמנואל פלד ראוי לפרס ישראל בתחום חקר הכימיה וההנדסה הכימית לשנת תשפ"ג.
קורות חיים
פרופ' עמנואל פלד היה נשוי לרות ז"ל, מתגורר באבן יהודה. הוא אב לארבעה בנים – אריאל, אשר, יאיר וגלעד – וסב לשלושה־עשר נכדים. בת זוגו היא רונית קדמון.
לימודים
1962–1965 תואר ראשון בכימיה, האוניברסיטה העברית בירושלים
1965–1967 תואר שני בכימיה פיזיקלית, האוניברסיטה העברית בירושלים
1968–1972 תואר דוקטור בהצטיינות יתרה, האוניברסיטה העברית בירושלים
תפקידים אקדמיים בארץ ובחו"ל
1973–1977 מרצה, אוניברסיטת תל אביב
1977–1983 מרצה בכיר, אוניברסיטת תל אביב
1977–1978, 1984 חוקר בחברת GTE, ארה"ב
1983–1991 פרופ' חבר, אוניברסיטת תל אביב
1986, 1988 אורח מכובד ב־JPL, המכון הטכנולוגי של קליפורניה (CALTEC)
1991–2011 פרופ' מן המניין, אוניברסיטת תל אביב
1997–2000 מנהל מרכז וולפסון לחקר חומרים ומרכז גורדון ללימודי אנרגיה
2003–2010 ראש הקתדרה לאלקטרוכימיה על שם נתן קומינגס
2011– פרופ' אמריטוס, אוניברסיטת תל אביב
הוקרות ופרסים נבחרים
1986 פרס לנדאו
1993 פרס החברה האלקטרוכימית, חטיבת הבטריות
2007 פרס IBA – ייגר
2015 חבר בחברה האלקטרוכימית
2016 פרס החברה הישראלית לכימיה
2017 חבר בארגון הבין־לאומי לאלקטרוכימיה
2017 פרס ראש מפא"ת למחשבה יצירתית
2019 פרס סמסון – ראש הממשלה, לחדשנות בדלקים חלופיים
2022 מדליית מצוינות של IBA
מפעל חיים
עמנואל פלד נולד באבן יהודה בשנת 1942 לאימו אסתר (לבית הולנדר), נצר למשפחת בוקששתר ממקימי ראש פינה, ולאביו מרדכי פלד, חקלאי ומזכיר מועצת אבן יהודה. עמנואל למד בבית הספר בכר באבן יהודה ובתיכון רופין, שבו למדו התלמידים במגמה חקלאית. "הייתה לי מורה מעולה לכימיה בתיכון", מספר פלד, "והתחום מצא חן בעיניי". בשנת 1960 התגייס לחיל האוויר ושירת כסמל מבצעים של בסיס רמת דוד (לימים, בנו אל"מ [במיל'] גלעד פלד שימש כמפקד אותו בסיס).
לאחר שחרורו נרשם ללימודי כימיה באוניברסיטה העברית (1962). "שכרתי חדר עם בני בגין", מספר פלד, "שירתנו באותו בסיס והשתחררנו באותו יום". בשנת 1965 נישא לרות לבית רוזנצוויג ז"ל וברבות השנים נולדו להם ארבעה בנים – אריאל, אשר, יאיר וגלעד – ושלושה־עשר נכדים.
את עבודת הגמר וגם את התואר השלישי עשה בהדרכת פרופ' גדעון שפסקי על כימיה של קרינות. בעבודת הדוקטור התמקד במאיץ אלקטרונים. פרופ' פלד מסביר: "כדי לברר מה קורה כשקרינה רדיואקטיבית פוגעת בתמיסות מימיות – שמהן הגוף שלנו בעצם בנוי – משתמשים במאיץ אלקטרוני, מעין תותח שיורה אלקטרונים באנרגיה גבוהה לתוך התמיסה, ואחר כך חוקרים מה נוצר בתמיסה".
בשנת 1972 קיבל הצעה מפרופ' אליעזר גלעדי מאוניברסיטת תל אביב לבוא לעבוד במעבדתו בנושאים אלקטרוכימיים. בהמשך התקבל פלד לשמש מרצה בבית הספר לכימיה של אוניברסיטת תל אביב, והחל לפתח שטח עצמאי משלו, אלקטרוכימיה של סוללות ותאי דלק – תחום שלא עסקו בו באקדמיה באותו הזמן. "פתחתי בחקר התהליכים שמתרחשים בסוללות של ליתיום בעיקר, וגם מגנזיום וסידן. המטרה הייתה בסופו של דבר להגדיל את כמות האנרגיה במארז של הסוללה, להאריך את חיי הסוללה; אבל קודם כול היינו צריכים להבין את התהליכים. זה התפקיד של החוקר". בשנת 1977 אירעה פריצת הדרך הגדולה במחקרו.
"במשך השנים לא ידעו מה התהליכים שקורים בסוללות ליתיום. חלק גדול מהחוקרים פירשו את אופן העבודה של הסוללות בצורה שגויה, וזה עצר את הפיתוח. הייתי הראשון שהבין איך הן עובדות", מספר פרופ' פלד ומוסיף להסביר: "מתכת הליתיום היא מאוד פעילה. כששמים אותה – כמו גם מתכות פעילות אחרות, נתרן או אשלגן – בתוך תמיסה אל־מימית, היא מתכסה בשכבה פסיבית. רוב החוקרים חשבו שהשכבה הפסיבית מפריעה וחיפשו איך אפשר לסלק אותה. זאת הייתה שגיאה חמורה. הטענה שלי הייתה שחובה שהיא תהיה, אלא שצריך לבנות אותה נכון: שתהיה מבוֹדדת אלקטרונים ומוליכה קטיונים – וגם גמישה".
בעקבות הבנה זו פיתח את המודל Solid Electrolyte Interphase (SEI) שמסביר את כל התהליכים האלה, והוא בסיס לשיפור הביצועים ואורך החיים של הסוללות ומניעת פריקתן המהירה. מחקריו של פלד והמודלים שפיתח אפשרו למחקר להתקדם בכיוון חיובי: להפסיק לנסות למצוא דרכים להימנע מייצור השכבה הפסיבית ובמקום זאת לבנות אותה באופן הנכון. בשנת 1979, לאחר שהציג את המודל בכמה הרצאות וכינוסים, פרסם פלד מאמר גדול (המאמר הראשון ברשימת הפרסומים לעיל) המהווה בסיס להבנת פעולתן של סוללות ליתיום, מגנזיום, קלציום ועוד. הוסבר בו מה יש לעשות כדי שיפעלו היטב, איך אפשר לטעון אותן, וכיצד ובאיזה קצב מתכות אלו עוברות קורוזיה. המאמר, שפרשׂ בפני הקוראים את מודל ה־SEI, זכה לכמות עצומה של אלפי ציטוטים. מאמר זה מהווה למעשה את יסוד הידע באלקטרוכימיה של סוללות מסוג זה, והשפיע בסופו של דבר על האפשרות לייצר עשרות שנים אחר כך, בין היתר, טלפונים סלולריים, מכוניות חשמליות, וגם מתקני אגירה למקורות אנרגיה חלופיים – אנרגיית שמש (מתָאים סולריים) ואנרגיית רוח (מטורבינות רוח).
אולם דרכו של פרסום הידע הזה לא הייתה סלולה למישרין. מיד אחרי פרסומו קמה לו התנגדות בקהילת המחקר. "זה היה נגד הבנת החוקרים באותה תקופה", מסביר פלד. "הם השתמשו במשוואות לא נכונות שהתבססו על היעדרה של שכבה פסיבית ולכן קיבלו תוצאות מוזרות". רק בסוף שנות ה־80 פרסם המדען הקנדי ג'ף דן (Dahn) מאמר ובו בדק כמה אופציות באלקטרוכימיה של סוללות ליתיום ובין היתר חזר על עבודותיו של פלד – וקבע שהטענה של פלד צודקת. אחריו הצטרפו מדענים נוספים, ועם הזמן התקבל המודל באקדמיה, ומשם גם בתעשייה. "היום בכל כנס מחקרי על ליתיום יש ישיבה על SEI, המודל שפיתחתי", מסביר פלד.
נושא נוסף שעבד עליו היה אלקטרודת הסיליקון, שתחליף את הגרפיט. "במצבר יון ליתיום, שיש לכולנו במכשירים מבוססי סוללות, האלקטרודה השלילית היא גרפיט טעונה בליתיום. אני, וחוקרים נוספים, מעוניינים להגדיל את האנרגיה במארז. ההצעה היא להחליף את הגרפיט בסיליקון, אלמנט שיש בו פי עשרה מהמטען שיש לגרפיט".
פרופ' פלד וצוות בהנחייתו עבדו רבות גם על תאי דלק. "תא דלק ניזון ממימן ומחמצן, והתוצר של הראקציה האלקטרוכימית הוא מים, חום ואנרגיה חשמלית", מסביר פלד. "בשונה מסוללה, שבה כל האנרגיה בתוך קופסה, בתא דלק הקופסה היא רק יחידת ההספק; אתה מזרים מימן וחמצן ומקבל אנרגיה חשמלית. כך, אם יש לך מיכל מימן מספיק גדול אתה יכול להפעיל את ההתקן לזמן ארוך מאוד". היתרון בתא הדלק הוא כמות האנרגיה המתקבלת, שלמעשה מוגבלת רק לגודל מיכל המימן. מתוך ניסיון לשפר את תאי הדלק, פרופ' פלד וצוותו עבדו על דלקים אחרים שיוכלו להחליף את השימוש במימן – כוהלים, ובייחוד אתילן גליקול. היתרון בכוהלים הוא בהיותם נוזל – מה שמייתר את הצורך בבלון גז – והם גם בטוחים יותר לשימוש. פיתוח נוסף בהקשר של תאי הדלק האלה הוא ממברנה חדשנית וזולה יותר לייצור. בזכות הידע הנרחב של פרופ' פלד בתאי דלק התאפשר לו לסייע בהתנדבות בשיפור היכולות של שתיים מן הצוללות של חיל הים, הפועלות על תאי דלק. "טסתי כמה פעמים לגרמניה לפגישות עם חברת סימנס הגרמנית", הוא מספר, "והצעתי להם פתרון שהגדיל מאוד את זמן העבודה של תאי הדלק".
פיתוח נוסף שעסק בו במשך השנים היה הסוללה התֶרמית, מקור בסיסי והכרחי לאנרגיה של טילים. בעקבות פנייה אליו ממשרד הביטחון עלה בידו לפתח, לאחר מחקר בן כשלוש שנים, יחד עם חברת רפאל, סוללות ששימשו את מערכת הביטחון של ישראל. היום סוללות אלו מיוצרות ברפאל לשימוש מערכת הביטחון וגם ליצוא.
פיתוח שהוא עוסק בו לאחרונה הוא הדפסה תלת־ממדית של סוללות ליתיום. נוסף על עיסוקו האקדמי המחקרי יזם הקמת שלוש חברות הזנק על בסיס הידע שפותח במעבדה.
פרופ' עמנואל פלד רשם עד היום חמישים פטנטים והנחה כשבעים תלמידי מחקר לתארים מתקדמים. "הגישה האישית שלי היא שגם פרופסור אמריטוס יכול וצריך לעסוק במחקר, כי יש לו ניסיון רב", מסכם פלד. "המחקר בשטח האנרגיה בישראל חשוב מאוד. היום בעולם יש שני שטחים חשובים: אנרגיה ומים. אם יש לך אנרגיה ומים, אתה יכול לעשות הכול. יש בארץ צוות לא קטן של אלקטרוכימאים שמגדל דורות חדשים, ואני מאמין שזה מעניק למדינה יתרון גדול".
פרסומים נבחרים
-
- E. Peled, The Electrochemical Behavior of Alkali and Alkaline Earth Metals in Nonaqueous Battery Systems. The Solid Electrolyte Interphase Model, J. Electrochem. Soc. 126, 2047-051 (1979)
- H. Yamin and E. Peled, Electrochemistry of a Nonaqueous Lithium/Sulphur Cell, J. Power Sources 9, 281-287 (1983)
- E. Peled, C. Menachem, D. Bar-Tow and A. Melman, Improved Graphite Anode for Lithium-Ion Batteries Chemically Bonded Solid Electrolyte Interface and Nanochannel Formation, J. Electrom. Soc. 143, L4-L7 (1996)
- D. Bar-Tow, L. Burstein and E. Peled, A Study of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) as a Model for Graphite Anode in Li-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc. 146(9), 824-832 (1999)
- E. Peled, T. Duvdevani, A. Aharon and A. Melman, A Direct Methanol Fuel Cell Based on a Novel Low-Cost Nanoporous Proton-Conducting Membrane, J. Electrochem and Solid State Letters 3, 525-528 (2000)
- E. Peled, V. Livshits and T. Duvdevani, High Power Direct Ethylene Glycol fuel Cell (DEGFC) Based on Nanoporous Proton Conducting Membrane (NP-PCM), JPS 106, 245-248 (2002)
- V. Eshkenazi, E. Peled, L. Burstein and D. Golodnitsky, XPS Analysis of the SEI Formed on Carbonaceous Materials, SSI 170 (1-2), 83-91 (2004)
- D. Golodnitsky, V. Yufit, M. Nathan, I. Shechtman, T. Ripenbein, E. Strauss, S. Menkin and E. Peled, Advanced Materials for the 3D-Microbattery, J. Power Sources 153 (2), 281-287 (2005)
- N. Travitsky, T. Ripenbein, D. Golodnitsky, Y. Rosenberg, L. Burshtein and E. Peled, Pt, PtNi and PtCo Supported Catalysts for Oxygen Reduction in PEM Fuel Cells, JPS 161 (2), 782-789 (2006)
- V. Livshits, A. Ulus and E. Peled, High-Power H2/Br2 Fuel Cell, Electrochemistry Communications 8, 1358-1362 (2006)
- E. Peled, F. Patolsky, D. Golodnitsky, G. Davidi and D. Schneier, Tissue-like Silicon Nanowires based 3D Anodes for High-Capacity Lithium-Ion Batteries, Nano Lett. 15(6), 3907-3916 (2015)
- E. Peled and S. Menkin, Review-SEI: Past, Present and Future, ECS 164(7), A1703-A1719 (2017)
- I. Ben-Barak, Y. Kamir, S. Menkin, M. Goor, I. Shekhtman, T. Ripenbein, D. Golodnitsky and E. Peled, Drop-on-Demand 3D Printing of Lithium Iron Phosphate Cathodes, J. Electrochem. Soc. 166 (3) A5059-A5064 (2018)
- M. Goor, S. Menkin and E. Peled, High power Direct Methanol Fuel Cell for Mobility and Portable Applications, International Journal of Hydrogen Energy 44, 3138- 3143 (2019)
- T. Mukra and E. Peled, Elucidation of the Losses in Cycling Lithium-Metal Anodes in Carbonate-Based Electrolytes, JECS 67, 10 (2020)
- T. Mukra, R. Marrache, P. Shekhter and E. Peled, Enhancing Performance of Anode-Free Li metal batteries by Addition of Ceramic Nanoparticles, Part I, J. Electrom. Soc. 168 (9), 090541 (2021)