نسل جدید باتری‌های هوشمند در چه وضعی است؟

بابک قهرمانی | باتری بهتر، یعنی محصولات بهتر. باتری‌های خوب، عمر بیشتری در گوشی هوشمند دارند و دیرتر تمام می‌شوند و برای سفر‌های طولانی مدت عاری از هرگونه استرس ناشی از خالی شدن باتری، عالی هستند.

باتری‌ها همچنین منبع ذخیره مؤثرتری برای سازه‌های بزرگی مثل مراکز داده هستند. اما فناوری باتری با سرعت کمی پیشرفت می‌کند که البته دلایل خودش را دارد؛ فرآیند‌های شیمیایی و همچنین مشکلات تجاری سازی طرح‌های جدید باتری، بسیار سخت است. بهبود عملکرد باتری حتی برای ماهرترین شرکت‌ها هم امری بسیار دشوار تلقی می‌شود. اما با وجود تمامی مشکلات، کسی دست از تلاش برای بهبود اوضاع برنمی دارد.

پژوهشگران و فن شناسان در سال‌های اخیر روش‌های جدیدی در خصوص مواد تشکیل دهنده باتری شارژی لیتیوم یون ارائه کرده اند که می‌توان با استفاده از آنها، وضعیت تراکم باتری را بهبود بخشید و مهم‌تر از آن امنیت باتری را بالا برد. مسلما چنین فناوری‌های به زودی وارد بازار نخواهند شد؛ اما وقتی به تمام شدن باتری گجت‌های خود در اواخر روز نگاه می‌کنیم، آرزو می‌کنیم که سرانجام در آینده وضعیت باتری‌ها بهتر شود.

بیشتر بخوانید: ساخت باتری مادام العمر گوشی موبایل

فناوری باتری به انداز‌های پیچیده است که حتی ماهر‌ترین افراد برای درک آن، حس می‌کنند باید دکترای شیمی داشته باشند؛ بنابراین در اینجا سعی می‌کنیم به صورت کلی به آن بپردازیم. اکثر لوازم الکتریکی قابل حمل از باتری‌های لیتیوم یون بهره می‌برند.

این باتری‌ها از یک آند، یک کاتد، یک جداساز، الکترولیت، جریان مثبت و جریان منفی تشکیل شده اند. آند و کاتد پایانه‌های باتری هستند. انرژی زمانی تولید و ذخیره می‌شود که یون‌های لیتیوم - که توسط الکترولیت حمل میشوند- بین دو پایانه باتری حرکت کنند.

یون لیتیوم هنوز هم یکی از سبک‌ترین و مؤثرترین اجزای تشکیل دهنده باتری‌ها است؛ اما از آنجایی که تراکم انرژی فیزیکی زیادی دارد، محدودیت‌هایی در مقدار شارژی که می‌تواند نگه دارد، وجود دارد. چنین پدیده‌ای گاهی از اوقات می‌تواند خطرناک باشد: اگر مشکلی برای جداساز به وجود بیاید و الکترود‌ها با یکدیگر تماس پیدا کنند، باتری شروع به داغ شدن می‌کند و الکترولیت‌های مایع هم بسیار قابل اشتعال هستند.

داغ شدن و در پی آن قابل اشتعال بودن، می‌تواند باعث ترکیدن باتری‌ها بشود. پارتا موکرجی که در دانشگاه پردو در زمینه ذخیره انرژی و تبدیل آن تحقیق می‌کرد، می‌گوید: خرابی خودرو‌های الکتریکی و گوشی‌های سامسونگ به دلیل همین مشکلات گرمایی بود.

امروزه روی برخی از مواد تشکیل دهنده باتری کار می‌شود تا مواد جدیدی جایگزین آن‌ها کنند که ثبات گرمایی و بهره وری باتری را افزایش دهد. به عنوان مثال به جای اینکه از گرافیت کربن استفاده کنند، از ذرات نانوی سیلیکونی برای آند یا از الکترولیت جامد به جای نوع مایع استفاده می‌کنند.

در باتری‌های لیتیوم یون از مواد آند گرافیتی استفاده می‌شود. اما ذرات سیلیکونی بسیار ریز می‌توانند جایگزین بسیار خوبی برای گرافیت باشند و حداقل از بین شرکت‌های فناوری، یکی از آن‌ها اعتقاد دارد که چنین کاری در مورد باتری‌های سال آینده انجام خواهد شد.

به گزارش زومیت، جین بردیچوسکی، مدیر عامل شرکت سیلا نانوتکنولوژی و یکی از کارکنان سابق تسلا در مورد آینده باتری‌های نانوسیلیکونی می‌گوید: یک اتم سیلیکون می‌تواند حدود ۲۰ برابر لیتیوم بیشتری نسبت به اتم کربن ذخیره کند؛ پس با استفاده از سیلیکون برای اینکه لیتیوم در باتری ذخیره شود، سیلیکون کمتری نیاز خواهد بود و در نتیجه حجم مواد داخل باتری کمتر خواهد شد.

طبق گفته او، شرکت سیلا نانو در اوایل سال ۲۰۱۹، اولین باتری خود را عرضه خواهد کرد. بردیچوسکی انتظار دارد که عمر باتری‌های این شرکت در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی، ۲۰ درصد بهبود یابد. سایرین هم در حال حاضر از روش آند سیلیکونی به عنوان یکی از مواد باتری برای حل مشکلات استفاده می‌کنند: کنسرسیوم کاملی برای همین مشکل تشکیل شده است که شامل آزمایشگاه‌های ملی آرگون، سندیا و لارنس برکلی می‌شود.

طبق گفته بردیچوسکی و گلب یوشین (یکی از مؤسسان سیلا و افسر ارشد فناوری آن) پژوهش آن‌ها با بقیه متفاوت است؛ چراکه مشکل انبساط را حل کرده اند. سیلیکون تمایل به منبسط شدن دارد و می‌تواند با هر بار شارژ شدن، باتری را نابود کند.

فناوری شرکت سیلا با آگاهی از این حقیقت، فضای بیشتری در اختیار ذرات میکروسکوپی سیلیکون قرار می‌دهد تا در صورت انبساط، مشکلی برای باتری به وجود نیاید. استفاده از چنین راه حلی بسیار ساده به نظر می‌رسد؛ ولی بردیچوسکی نظر دیگری دارد: انجام چنین کاری هفت سال طول کشید و ما بدون اغراق حدود ۳۰ هزار بار در آزمایشگاه خود چنین عملی را پیاده کردیم تا شیوه‌ای برای خلق چنین ساختاری به وجود بیاوریم.

بردیچوسکی می‌گوید، پیاده سازی چنین روش‌هایی در آزمایشگاه زمانی یک امر موفق تلقی می‌شود که با بهتر کردن شرایط در یک قسمت، شرایط قسمت‌های دیگر بدتر انشود؛ چون معمولا چنین امری در آزمایشگاه‌ها رخ می‌دهد. باتری‌هایی که از فلز لیتیوم ساخته شده اند، فورا توجهات را به خود جلب کردند. این نوع باتری ابتدا در اواخر دهه ۱۹۸۰ توسط مولی انرژی به صورت عمومی عرضه شد؛ ولی آتش گرفتن تعداد زیادی از آن، به فراخوان عمومی تمام باتری‌های موجود در بازار منجر شد. اما طبق گفته موکرجی و سایرین، باتری‌های فلز لیتیوم در پنج سال گذشته تغییرات خوبی کرده اند.

طرح جدید این باتری‌ها از فلز لیتیوم برای بخش آند منفی باتری به جای گرافیت استفاده می‌کند که باعث می‌شود باتری شارژ بیشتری نگه دارد. علاقه به نگه داشتن انرژی بیشتر در باتری، به خاطر رشد خودرو‌های برقی افزایش یافت.

طبق گفته پژوهشگران .e.ARPAدر مقاله‌ای که در نیچر در دسامبر گذشته من تشر شد: پلتفرم مواد لیتیوم یون حاضر به احتمال زیاد نمی‌تواند اهداف مربوط به وزن، انرژی، تراکم و هزینه را برای بسته‌های خودروی الکتریکی وزارت انرژی آمریکا تا سال ۲۰۲۲ برآورده کنند.

افراد متخصص در عرصه باتری‌ها گاهی اوقات به جای عبارت فلز لیتیوم از اصطلاح حالت جامد استفاده می‌کنند؛ چراکه هر دو عبارت برای بخش‌های مختلف باتری و ساختار کلی باتری‌ها به طور همزمان مصداق دارند. حالت جامد باتری‌ها مانند فلز لیتیوم توجه زیادی در سال‌های اخیر به خود جلب کرده اند.

چراکه می‌توان از آن‌ها در خودرو‌های الکتریکی استفاده کرد. یک باتری حالت جامد با نوعی سرامیک یا شیشه، می‌تواند به جای الکترود‌های باتری و الکترولیت مایع یا هر دوی آن‌ها مورد استفاده قرار گیرد. از آنجایی که ماد‌های جامد جایگزین مواد قابل اشتعال می‌شود، باتری می‌تواند دمای بیشتری را تحمل کند و در نتیجه ظرفیت آن افزایش می‌یابد.

منبع: روزنامه هفت صبح