برای یک گیک واقعی و خوره‌ی تکنولوژی تنها یک چیز می‌تواند جالب‌تر از اخبار جدیدترین گجت‌ها و تکنولوژی‌های به کار رفته در آن‌ها باشد: تکنولوژی‌های آینده! قصد داریم در هیرتاش خبر طی مجموعه‌ای ۴ قسمتی شما را با آینده‌ی تکنولوژی‌های مورد استفاده در تلفن‌های هوشمند آشنا کنیم. در اولین قسمت به آینده‌ی باتریها خواهیم پرداخت.
تکنولوژی باتری:
اولین قسمت از مجموعه‌ی “آینده‌ی تلفن‌های هوشمند” به تکنولوژی باتری اختصاص دارد. در این مجموعه مقالات علمی، ابتدا نگاهی به تکنولوژی‌های فعلی موجود در تلفن‌هایمان انداخته، سپس به بررسی تکنولوژی‌های در حال توسعه در آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی می‌پردازیم؛ تکنولوژی‌هایی انقلابی که پتانسیل زیر و رو کردن بازار را دارند.
در ادامه با کمی اصطلاحات تخصصی و علمی روبرو خواهید شد؛ چرا که اصل این مجموعه، از دل مقالات علمی روز بیرون آمده است. اما جای هیچگونه نگرانی وجود ندارد؛ نهایت تلاش خود را کرده‌ایم تا متنی آسان و قابل فهم برای همه تهیه کنیم. اگر علاقه دارید بدانید درون تلفن شما چه خبر است، این مجموعه برای شما است.
معرفی باتریهای لیتیومی
فن‌آوری باتریهای قابل شارژ باید به صورت پیوسته بهبود پیدا کند تا باتری یک دستگاه قابل حمل بتواند پا به پای پیشرفت‌های عظیم دیگر بخش‌های آن جلو بیاید. به همین دلیل این موضوع تبدیل به یکی از مورد پژوهش ترین موضوعات در جامعه‌ی علمی دنیا شده است. اکثریت مطلق دستگاه‌های قابل حمل امروزی از باتریهای مبتنی بر لیتیوم استفاده می‌کنند، که رایج‌ترین آن‌ها باتریهای لیتیوم-یونی (Li-ion) و لیتیوم-پلیمر (Li-po) هستند.
باتریهای لیتیوم یونی در اواخر قرن بیستم با ظرفیت بسیار بیشتر و وزن کم خود جایگزین باتریهای قابل شارژ نیکل کادمیوم (Ni-Cad) شدند. این نوع از باتریها معمولاً به صورت سلول‌های دکمه‌ای شکل و یا سیلندری (با ظاهری مشابه باتریهای قلمی AA) به تولید انبوه می‌رسند و در نهایت بر روی هم چیده و بسته‌بندی می‌شوند تا ظاهری شبیه باتری درون تلفن همراه شما به خود بگیرند.
این نوع بسته بندی به دلیل اینکه نسبت “باتری به حجم” پایینی دارد ناکارآمد است. باتریهای لیتیوم پلیمر که چند سال بعد از باتریهای لیتیوم یونی معرفی شدند از همان مواد شیمیایی بهره می‌گیرند؛ با این تفاوت که حلّال مایع در آن‌ها با یک ترکیب پلیمری جامد جایگزین شده است و خود باتری هم به جای اینکه روکش سفت و سخت فلزی داشته باشد، پوششی پلاستیکی دارد که به آن انعطاف‌پذیری بیشتری می‌دهد.
حتما بخوانید: باتریها و انواع آن را بیشتر بشناسیم
فرآیند کار اکثر باتریهای مبتنی بر لیتیوم به این صورت است که یون‌های لیتیوم (+Li) از طریق یک محلول الکترولیت از آنُد (الکترود مثبت) به سمت کاتد (الکترود منفی) حرکت کرده و الکتریسیته در مدار آزاد می‌کنند(انرژی گوشی و تبلت شما دقیقاً از طریق همین فرآیند تامین می‌شود). هنگام شارژ، این فرآیند معکوس شده و یون‌های +Li جذب آند می‌شوند.
ظرفیت یک باتری عملاً به تعداد یون‌های +Li که آند می‌تواند جذب کند بستگی دارد. تقریباً تمامی باتریهای لیتیومی امروزی که در محصولات مصرفی ممکن است بیابید، آند‌هایی از جنس گرافیت دارند که برای به حداکثر رساندن میزان جذب، از سطحی بسیار منظم بهره می‌گیرند.
طرح شماتیک از فرآیند دشارژ (تخلیه) باتری. تلفن همراه شما نیروی خود را از طریق همین فرآیند تامین می‌کند.
با این حال باتریهای لیتیومی در طول زمان دچار افت عملکرد می‌شوند، و این فرآیند با افزایش دمای محیط (مخصوصاً دمای بالای ناشی از شارژ دستگاه و همچنین استفاده از آن) سرعت می‌گیرد. یکی از دلایل اینکه توصیه می‌شود از شارژری با آمپراژ پایین برای شارژ کردن گوشی خود استفاده کنید همین موضوع است. شارژرهایی که گوشی شما را سریع‌تر شارژ می‌کنند موجب افزایش دمای بیشتر آن نیز می‌شوند.
روند فرسوده شدن باتری به تغییرات شیمیایی و ساختاری الکترود مربوط می‌شود. یکی از دلایل کم شدن عمر باتری این است که حرکت یون‌های +Li در طول زمان به سطح صاف و منظم الکترود صدمه می‌زند. در طول زمان، نمک‌های لیتیوم که الکترولیت را تشکیل می‌دهند، بر روی الکترود‌ها به صورت بلوری رسوب کرده و با مسدود کردن منافذ آن مانع از جذب یون‌های +Li می‌شوند.
میزان فرسوده شدن باتری معمولاً با معیاری به نام “بهره وری کولمبیک” سنجیده می‌شود که تعریف آن عبارت است از نسبت تعداد الکترون‌های خروجی از آند به تعداد الکترون‌هایی که طی فرآیند شارژ به آند باز می‌گردند. معمولاً باتریها باید بهره‌وری کولمبیک بالای ۹۹.۹٪ داشته باشند تا از لحاظ تجاری بتوان بر روی کارکرد آن‌ها حساب کرد.باتریهای لیتیومی با گذشت زمان دچار افت عملکرد می‌شوند و دمای بالا به این فرآیند سرعت می‌بخشد.
بزرگترین نگرانی باتریهای لیتیوم یون:
یکی از اصلی‌ترین نگرانی‌های مربوط به باتریهای لیتیوم یونی خطر آتش‌سوزی در صورت شارژ بیش از حد، دمای بالا، اتصال کوتاه و یا سوراخ شدن آن‌ها است. مدارهای شارژ در دستگاه‌های قابل حمل امروزی به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا جلوی سه مورد اول را بگیرند؛ اما اگر در انجام این کار موفق نباشند، اوضاع به شدت خطرناک شده و یک سری واکنش‌های زنجیره‌ای به وجود می‌آیند که همگی موجب افزایش حرارت بیشتر باتری می‌شوند.
این فرآیندها که در شیمی به thermal runaway مشهورند، در نهایت موجب انفجار دستگاه خواهند شد. از آنجا که باتریها، درون دستگاه مورد استفاده بسته‌بندی شده‌اند، سوراخ شدن آن‌ها موردی بسیار نادر است؛ اما می‌تواند خطرناک باشد. عاملی که اکثر اوقات نادیده گرفته می‌شود تهویه است. تهویه برای کمک به دفع حرارت تولید شده توسط باتری لازم است و خطر انفجار را کاهش می‌دهد.
بویینگ ۷۸۷ شرکت پست ایالات متحده (UPS) که حامل باتریهای لیتیومی بود و دچار سانحه‌ی آتش‌سوزی شد
پیشرفت‌های آینده
باتریهای لیتیومی چگونه پیشرفت خواهند کرد؟ مشخصاً باید منتظر ظرفیت بالاتر، عمر طولانی‌تر، بهبود ایمنی و شارژ سریع‌تر باشیم.
سه ویژگی و بهبودی که محققان بیشتر از همه به دنبال آن هستند عبارتند از چگالی انرژی بالاتر، عمر طولانی‌تر و شارژ سریع‌تر. اگر بخواهیم تکنولوژی فعلی لیتیوم پلیمر را ارتقاء بدهیم، بهبود ماده‌ی به کار رفته در آند هر سه ویژگی بالا را در باتری بهبود می‌بخشد. به این صورت که نرخ بالای جذب الکترون توسط آند موجب بالارفتن سرعت شارژ شده، جایگاه‌های بیشتر برای یون‌های لیتیوم بر روی آند ظرفیت باتری را افزایش داده، و در نهایت استفاده از آند انعطاف پذیر هم عمر باتری را افزایش خواهد داد. دیگر زمینه‌هایی که بر روی آن‌ها تحقیق می‌شود شامل الکترولیت به کار رفته بین دو الکترود و کاهش هزینه‌ی ساخت اجزای مختلف باتری است.
اجزای غیر قابل اشتعال
دانشمندان به طور جدی به دنبال راه‌هایی برای بهبود امنیت باتریهای لیتیومی هستند. یکی از حوادثی که اخیراً به وقوع پیوست و توجه زیادی را به خود جلب نمود، حادثه‌ی آتش‌سوزی‌ای است که پرواز بویینگ ۷۸۷ شرکت پست آمریکا (UPS) را زمین‌گیر کرد. آتش‌سوزی ناشی از اشتعال باتریهای لیتیومی هواپیما بود. اوایل سال جاری دانشگاه کارولینای شمالی اعلام کرد که جایگزینی برای حلّال‌های متداول و قابل اشتعال به کار رفته در باتریهای لیتیومی یافته‌است که پرفلوئوروپلی‌اتر (PFPE) نام دارد.
PFPEها به صورت گسترده به عنوان روان‌کننده‌ی صنعتی استفاده می‌شوند؛ اما گروه پژوهشی دانشگاه کارولینا متوجه شدند که این ماده نمک‌های لیتیوم را هم در خود حل می‌کند. تیم تحقیقاتی عقیده دارند که PFPE نمک‌های لیتیوم را حتی از حلّال‌های فعلی هم بهتر در خود حل می‌کند. حلالیت بهتر PFPE موجب کاهش تاثیر رسوب و کریستاله شدن نمک‌ها بر روی الکترود‌ها می‌شود که افزایش طول عمر باتری را در پی خواهد داشت. هرچند هنوز هم تحقیق، توسعه و آزمایش‌های زیادی برای رسیدن به تولید انبوه نیاز است، اما می‌توانید در آینده‌ای نه چندان دور منتظر باتریهای لیتیومی غیر قابل اشتعال باشید.
شارژ سریع‌تر
یک گروه تحقیقاتی که در دانشگاه فنی نانگیانگ بر روی آند کار می‌کنند، نوعی باتری لیتیوم یونی را توسعه داده‌اند که ظرف مدت تنها ۲ دقیقه تا ۷۰ درصد شارژ شده و می‌تواند بیش از ۱۰ هزار سیکل شارژ را تحمل کند. این ویژگی هم برای صنعت موبایل و هم برای صنعت خودروهای الکتریکی به شدت جذاب است.
باتری لیتیوم یونی مذکور به جای استفاده از آند گرافیتی، از نوعی ژل استفاده می‌کند که از نانولوله‌های تیتانیوم دی اکسید ساخته شده از تیتانیا تشکیل شده است. تیتانیا ترکیبی طبیعی از تیتانیوم است که بسیار ارزان بوده و به عنوان جزء اصلی کرم‌های ضد آفتاب استفاده می‌شود. تیتانیا همچنین در بسیاری از رنگدانه‌های طبیعی یافت می‌شود و از آن حتی در شیر خشک هم استفاده می‌کنند.به احتمال زیاد تا عرضه‌ی تکنولوژی شارژ بسیار سریع تنها یکی دو سال فاصله داریم.
تیتانیوم دی‌اکسید در گذشته هم به عنوان ماده‌ی مورد استفاده در آند آزمایش شده است، اما استفاده از آن به صورت ژلی از نانولوله‌ها، سطح فعال را به شدت افزایش داده و موجب جذب بسیار سریع‌تر یون‌های +Li توسط آند می‌شود. تیم تحقیقاتی همچنین مشاهده کردند که تیتانیوم دی‌اکسید علاوه بر سرعت جذب بالا، یون‌های +Li بیشتری را نیز جذب می‌کند و نسبت به گرافیت در برابر فرسوده شدن مقاوم‌تر است.
تولید نانولوله‌های تیتانیوم دی‌اکسید نسبتاً آسان است؛ تیتانیا با آب قلیایی مخلوط شده و حرارت داده می‌شود، سپس شسته شده و با اسید رقیق می‌شود و دوباره به مدت ۱۵ ساعت گرم می‌شود. گروه تحقیقاتی این کشف خود را پتنت کرده‌اند، پس قضیه جدی است و باید طی یکی دو سال آینده منتظر ورود گوشی‌هایی با باتریهای لیتیومی و قابلیت شارژ سریع به بازار باشیم.
اما تا آن زمان، شرکت‌هایی مثل کوالکام مشغول کار بر روی افزایش سرعت شارژ باتریهای لیتیوم یونی فعلی هستند و با فناوری‌هایی مانند QuickCharge و استفاده از تراشه‌ی ارتباطی ورودی، میزان شارژ را به حد اکثر می‌رسانند؛ بدون اینکه صدمه‌ای به مدار داخلی دستگاه وارد شده و یا باتری بیش از حد داغ شود. تکنولوژی QuickCharge کوالکام را در گوشی‌های اچ‌تی‌سی وان ام۸، نکسوس ۶ و گلکسی نوت ۴ سامسونگ می‌توان یافت. برای مشاهده‌ی لیست کامل دستگاه‌هایی که از QuickCharge 2 استفاده می‌کنند اینجا را ببینید.
آندهای لیتیومی
طرح شماتیک ارائه شده توسط دانشگاه استنفورد برای نشان دادن نحوه‌ی کار آندهای لیتیومی
به تازگی گروهی از محققان دانشگاه استفورد با انتشار مقاله‌ای اعلام کردند که موفق به کشف مهمی شده‌اند. کشف آن‌ها از این قرار است که با استفاده از لایه‌ی نازکی از نانولوله‌های کربنی می‌توان امکان استفاده از فلز لیتیوم به عنوان آند را فراهم کرد. این امکان یک “معجزه” است؛ چرا که آند ساخته شده از فلز لیتیوم ظرفیت ویژه‌ای ۱۰ برابر بیشتر از آندهای گرافیتی فعلی دارد.
آندهای لیتیومی مورد آزمایش در گذشته تنها به بازده ۹۶٪ رسیده بودند و بعد از ۱۰۰ سیکل شارژ-دشارژ کارایی آن‌ها به ۵۰٪ افت می‌کرد و این به معنای ناکارآمدی آن‌ها در صنعت تلفن‌های همراه بود. اما تیم استنفورد موفق به نگه‌داشتن بازده بر روی ۹۹٪ پس از ۱۵۰ سیکل شده است.
البته آندهای لیتیومی با چند مشکل عمده مواجه هستند؛ از جمله اینکه آند پس از چند سیکل شارژ و دشارژ به صورت شاخه‌ای رشد می‌کند، و مشکل مهم‌تر اینکه در صورت تماس با الکترولیت امکان انفجار وجود دارد. لایه‌ی کربن قادر به غلبه بر هر دو مشکل است.
هرچند که گروه تحقیقاتی به هدفشان که بازده کولومبیک ۹۹٪ است نرسیده‌اند، اما بر این باورند که چند سال تحقیق و توسعه‌ی بیشتر برای یافتن الکترولیتی جدید و بهبود‌هایی در مهندسی ساخت، راه رسیدن باتری آن‌ها به تولید انبوه و بازار را هموار خواهد کرد.
اگر به جزئیات فنی کار تیم استنفورد علاقه دارید، می‌توانید مقاله‌‌ی بسیار جذاب و خواندنی آن‌ها (که پر از تصاویر جالب است) را از اینجا دانلود کنید.
انواع باتری لیتیومی:
باتریهای لیتیومی انعطاف‌پذیر
باتریهای لیتیومی فعلی به هیچ وجه انعطاف‌پذیر نیستند و تلاش برای خم کردن آن‌ها می‌تواند منجر به تغییرات نامطلوب ساختاری در آند شده و ظرفیت باتری را به طور دائمی کاهش دهد. باتریهای انعطاف‌پذیر برای گجت‌های پوشیدنی و دیگر محصولات منعطف عالی هستند.
بهترین مثال برای کاربرد باتریهای انعطاف پذیر، استفاده از آن‌ها در بند چرم ساعت هوشمند است که موجب انقلابی در عمر باتری ساعت‌های هوشمند می‌شود. به تازگی ال‌جی یک صفحه‌نمایش OLED با قابلیت لوله شدن را به نمایش گذاشته است. به این معنی که هم نمایشگر و هم مدارهای به کار رفته در آن انعطاف پذیر هستند.
تنها جزئی که قابلیت خم شدن ندارد تا با دیگر اجزاء همراه شود باتری است. ال‌جی با ارائه‌ی تلفن همراه جی فلکس نمونه‌ای از باتریهای قابل “خم” شدن را به نمایش گذاشت. در فناوری مورد استفاده توسط ال‌جی سلول‌های باتری به صورت انباشته به کار گرفته شده بودند تا از هرگونه تغییر شکل جلوگیری شود.
این باتری نزدیک‌ترین چیز به باتری “انعطاف پذیر” است که تا به حال در مقیاس تجاری به آن دست یافته‌ایم.
نمایشگر OLED ال‌جی به حدی منعطف است که می‌توانید آن را لوله کنید.
اوایل امسال شرکتی تایوانی به نام “پرولوگیوم” تولید باتریهای منعطف لیتیوم پلیمر سرامیکی خود را آغاز کرد. باتری مذکور به شدت نازک است که آن را برای استفاده در محصولات پوشیدنی به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل می‌کند. برتری آن نسبت به باتریهای لیتیوم پلیمری فعلی امنیت به شدت بالای آن است.
شما می‌توانید آن را بریده، سوراخ کرده و کوتاه کنید و در مقابل، باتری مورد بحث نه دود می‌کند و نه آتش می‌گیرد. اما نقطه ضعف‌های آن قیمت بسیار بالا (به دلیل فرآیند سخت تولید) و ظرفیت شدیداً پایین آن است. احتمالاً تا اواخر سال ۲۰۱۵ نمونه‌هایی از آن را در برخی دستگاه‌های گران قیمت و کم مصرف خواهید دید.
گروهی ار محققان آزمایشگاه ملی شنگ‌یانگ چین به پیشرفت‌هایی در دستیابی به جایگزین‌های منعطف برای تک‌تک اجزای باتریهای لیتیوم یونی دست پیدا کرده‌اند، اما هنوز هم مقدار زیادی تحقیق و توسعه تا عرضه‌ی تجاری چنین باتری‌هایی فاصله است.
برتری باتری چینی‌ها نسبت به باتری لیتیوم پلیمر سرامیکی تایوانی‌ها در قیمت کمتر تولید آن است، اما تکنولوژی چینی‌ها برای برتری کامل می‌بایست قابل اجرا بر روی تمامی انواع باتریهای لیتیومی، مانند باتریهای لیتیوم سولفور باشد.
باتریهای لیتیوم-سولفور
از باتریهای لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر که بگذریم، دو نوع باتری مبتنی بر لیتیوم با ویژگی‌های امیدوار کننده وجود دارند: باتریهای لیتیوم-سولوفور (Li-S) و باتریهای لیتیوم-هوا (Li-air). باتریهای لیتیوم سولفور از مواد شیمیایی مشابه باتریهای لیتیوم یونی بهره می‌گیرند؛ با این تفاوت که فرآیند شیمیایی در آن‌ها شامل واکنشی دو الکترونی بین یون‌های +Li و سولفور است.
باتریهای آینده:
باتریهای لیتیوم سولفور جایگزین بسیار مناسبی برای تکنولوژی فعلی باتریها محسوب می‌شوند؛ چرا که تولید آن‌ها به اندازه‌ی باتریهای لیتیومی فعلی آسان است، ظرفیت بالاتری دارند و همچنین حلّال به کار رفته در آن‌ها بسیار فرار است، که موجب کاهش شدید ریسک آتش‌سوزی ناشی از سوراخ شدن باتری می‌شود.
باتریهای لیتیوم سولفور در شرف تولید هستند و در حال حاضر آخرین مراحل تست را پشت سر می‌گذارند. شارژ و دشارژ غیر خطی این نوع باتریها نیازمند مدار شارژ کاملاً جدیدی است تا از تخلیه‌ی سریع شارژ باتری جلوگیری کند.
باتریهای لیتیوم-هوا
در باتریهای لیتیوم هوا، کاتدِ سلول‌های باتری هوا است، یا به بیان دقیق‌تر اکسیژنِ موجود در هوا است. مشابه باتریهای لیتیوم سولفور، فرآیند شیمیایی باتریهای لیتیوم-هوا هم شامل واکنشی دو الکترونی است، با این تفاوت که این واکنش بین لیتیوم و اکسیژن رخ می‌دهد.
طی فرآیند شارژ یون‌های +Li به سمت آند رفته و باتری اکسیژن را از کاتد متخلخل آزاد می‌کند. این نوع باتریها اولین بار در دهه‌ی ۷۰ میلادی برای استفاده در خودروهای الکتریکی پیشنهاد شدند.باتریهای لیتیوم-هوا بیشتر برای استفاده در خودروهای الکتریکی مناسب‌اند.
از لحاظ نظری، باتریهای لیتیوم-هوا می‌توانند چگالی انرژی بیشتری نسبت به بنزین داشته باشند؛ به عنوان مثال باتری ۲۶۰۰ میلی آمپری لیتیوم یونی اچ‌تی‌سی ام۸ تنها قادر به ذخیره‌ی انرژی موجود در یک گرم بنزین است. علیرغم سرمایه‌گذاری عظیم بر روی باتریهای لیتیوم-هوا، هنوز چالش‌های فنی بسیاری وجود دارند که باید بر آن‌ها غلبه کرد.
از جمله مهمترین این چالش‌ها نیاز به الکترود و الکترولیت جدید است، چرا که بهره‌وری کولومبیک این نوع باتریها بعد از تعداد انگشت شماری چرخه‌ی شارژ و دشارژ به شدت افت می‌کند.
استفاده از باتریهای لیتیوم-هوا به دلیل نیاز به جریان دائمی هوا و تهویه، ممکن است هیچ وقت در تلفن‌های همراه عملی نشود، اما خیلی‌ها عقیده دارند که استفاده از آن‌ها در بازار خودروهای الکتریکی معجزه خواهد کرد، هرچند شاید یک دهه تا دیدن باتریهای لیتیوم هوا در خودروهای الکتریکی فاصله داشته باشیم.
باتریهای منیزیوم-یون
از لیتیوم که بگذریم، تحقیق بر روی باتریهای منیزیم-یونی (Mg-ion) هم به شدت در جریان است. باتریهای منیزیوم یونی قادر به ذخیره‌ی دو برابری انرژی الکتریکی نسبت به باتریهای لیتیوم یونی هستند.
یک تیم تحقیقاتی تایوانی که جدیداً بر روی باتریهای منیزیوم یونی پژوهش می‌کنند در مصاحبه با وبسایت EnergyTrend اعلام کرده‌اند که باتریهای منیزیوم یونی آن‌ها ظرفیتی ۸ تا ۱۰ برابر بیشتر از باتریهای لیتیوم یونی دارند و سیکل‌های شارژ و دشارژ آن‌ها ۵ برابر بهینه‌تر است.
آن‌ها برای مثال به یک دوچرخه‌ی الکتریکی معمولی که از باتری لیتیوم پلیمر استفاده می‌کند اشاره می‌کنند. زمان شارژ این دوچرخه برابر با ۳ ساعت است. در حالی که باتری منیزیوم یونی با ظرفیت مشابه تنها به ۳۶ دقیقه زمان برای شارژ احتیاج دارد.
همچنین این تیم تحقیقاتی ادعا می‌کند با ساخت الکترولیت از غشاء منیزیم و پودر منیزیم قادر به بهبود پایداری باتری هستند. درست است که هنوز چند سالی با عرضه‌ی باتریهای منیزیمی به صورت تجاری فاصله داریم، اما نسبت به برخی گزینه‌های دیگر هنوز هم فاصله‌ی بسیار کمتری تا رسیدن به آن‌ها داریم.
باتریهای هالید-یون
باتریهای هالید-یون (با تمرکز عمده بر روی کلرید و فلورید) هم با انتقال یون‌ها کار می‌کنند، با این تفاوت که این بار بر خلاف یون‌های فلزی با بار مثبت که در بالا به آن‌ها اشاره کردیم با یون‌های با بار منفی سر و کار داریم. این به معنای معکوس شدن جهت شارژ و دشارژ است.
پیشنهاد باتریهای فلوئوری-یونی در مقاله‌ای در سال ۲۰۱۱ موجب آغاز تحقیقات گسترده بر روی آن در سطح جهان شد. اگر از شیمی دبیرستان به یاد داشته باشید، یون فلوئور یکی از کوچکترین ذرات در سطح اتمی است، پس از لحاظ نظری می‌توان نسبت به دیگر عناصر تعداد بسیار بیشتری از آن را در کاتد ذخیره کرد و به ظرفیت خارق العاده‌ای دست یافت.
چالش‌های متعددی وجود دارند که محققان باید قبل از عرضه‌ی این تکنولوژی بر آن‌ها چیره شوند؛ از جمله اینکه فلوئورین به شدت واکنش پذیر است و با الکترونگاتیوی بالای خود تقریباً از هر چیزی الکترون می‌گیرد. توسعه‌ی سیستم شیمیایی مناسب برای این نوع باتریها احتیاج به زمان دارد.
همکاری بین موسسه‌ی فناوری کارلسروهه در آلمان و دانشگاه فنی نانجینگ چین منجر به ارائه‌ی طرح مفهومی نوع جدیدی از باتریهای قابل شارژ بر مبنای یون‌های کلرید شد. به جای انتقال یون‌های فلزی مثبت، در این باتری یون‌های منفی غیر فلزی منتقل می‌شوند.
کلرین نسبت به فلوئورین از واکنش‌پذیری کمتری برخوردار است، اما از همان مشکل نبود سیستم شیمیایی مناسب برای پایداری باتری رنج می‌برد. پس منتظر ظهور باتریهای هالید-یونی تا حداقل یک دهه‌ی دیگر نباشد.
ابر خازن‌ها
خازن ساختاری مشابه باتری دارد، از این منظر که مجموعه‌ای است دارای دو پایانه، با قابلیت ذخیره‌ی انرژی در خود. اما تفاوت اصلی آن‌ها در این است که خازن بسیار سریع شارژ و تخلیه می‌شود.
خازن‌ها معمولاً برای تخلیه‌ی سریع الکتریسیته استفاده می‌شوند. (برای مثال در فلش زنون دوربین). فرآیند شیمیایی آهسته‌ی تخلیه‌ی باتریهای لیتیوم پلیمری حتی به گرد پای ابرخازن‌ها هم نمی‌رسد. علاوه بر این‌ها باتریهای لیتیومی و ابرخازن‌ها بر مبنای اصولی کاملاً متفاوت بنا شده‌اند.
باتریها بر اساس بالا بردن انرژی یک سیستم شیمیایی کار می‌کنند و خازن‌ها شارژ را بر روی دو صفحه‌ی فلزی که توسط یک لایه از ماده‌ای عایق از هم جدا شده‌اند نگه می‌دارند. شما حتی می‌توانید با استفاده از یک تکه کاغذ بین دو ورق فویل هم یک خازن بسازید (هرچند نباید انتظار داشته باشید که بتوانید چیزی را با آن شارژ کنید.)
هنگامی که خازنی را شارژ می‌کنید، جریان باعث می‌شود الکترون‌ها بر روی صفحه‌ی منفی جمع شده و از صفحه‌ی مثبت دفع شوند. این فرآیند تا زمانی که اختلاف پتانسیل دو صفحه برابر با ولتاژ ورودی شود ادامه می‌یابد. تخلیه‌ی یک خازن می‌تواند به میزان غیر قابل تصوری سریع باشد. نمونه‌ای طبیعی از فرآیند تخلیه‌ی خازن‌ها آذرخش است.
در آذرخش قسمت زیرین ابر و سطح زمین مانند دو صفحه‌ی باردار فلزی عمل کرده و بین آن‌ها لایه‌ای از هوا به عنوان عایق قرار می‌گیرد. ابرها ظرفیت بالایی برای ذخیره‌ی انرژی الکتریکی دارند و پتانسیل الکتریکی آن‌ها به میلیون‌ها ولت هم می‌رسد.
اختلاف پتانسیل ابر و زمین آنقدر زیاد می‌شود تا اینکه بالاخره به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن هوا دیگر عایق مناسبی محسوب نشده و الکتریسیته را از ابر به زمین هدایت می‌کند.
مشکل عمده خازن:
مشکل خازن‌ها این است که در حجمی برابر، قادر به ذخیره‌ی انرژیِ برابر با باتریهای لیتیومی نیستند. (یعنی چگالی انرژی آن‌ها از باتریهای لیتیومی کمتر است.) اما چیزی که آن‌ها را همچنان در میدان رقابت سرپا نگه می‌دارد و دانشمندان را به تحقیق بر روی آن‌ها علاقه‌مند کرده است، توانایی شارژ در تنها چند ثانیه است.
تصور کنید می‌توانستید گوشی خود را به جای چندین ساعت تنها در عرض چند ثانیه شارژ کنید. در این صورت شاید می‌توانستیم بر روی ظرفیت کم باتری گوشی خود چشم‌پوشی کنیم.
ابر خازن با خازن متفاوت است
ابرخازن‌ها با خازن‌های معمولی تفاوت دارند؛ چون به جای استفاده از عایق‌های جامد متداول بر استفاده از سیستم‌های شیمیایی تکیه دارند.در آینده‌ای نسبتاً دور، بالاخره روزی فراخواهد رسید که بتوانیم با استفاده از ابرخازن‌ها تلفن خود را در عرض تنها چند ثانیه شارژ کنیم.
تحقیقات زیادی برای استفاده از گرافین و نانولوله‌های کربن به عنوان قطعات خازن در جریان است. دانشگاه سینگهوا بر روی نانولوله‌های کربن برای بهبود رسانایی نانوسیالات استفاده شده به عنوان الکترولیت در ابرخازن‌ها آزمایش می‌کند. دانشگاه تگزاس هم در پی یافتن راهی برای تولید انبوه گرافین مناسب برای استفاده در ابرخازن‌ها است.
از طرفی دانشگاه ملی سنگاپور هم در حال تحقیق بر روی استفاده از کامپوزیت‌های گرافین به عنوان الکترودهای ابرخازن است. نانولوله‌های کربنی خاصیت جالبی دارند؛ به این صورت که جهت‌گیری ساختار اتمی در آن‌ها تعیین کننده‌ی رسانا، عایق و یا نیمه رسانا بودن آن‌ها است.
برای استفاده‌ی آزمایشگاهی، هم گرافین و هم نانولوله‌های کربنی فوق‌العاده گران‌قیمت هستند. یک ورقه‌ی ۱در۲ سانتی متری گرافین ۲۱۸ دلار قیمت دارد و هر گرم از نانولوله‌های کربنی هم ۹۳۸ دلار برایتان آب می‌خورد. این قیمت‌های بالا ناشی از فرآیند سخت تولید آن‌ها است.
ابرخازن‌ها فاصله‌ی زیادی تا استفاده‌ی تجاری دارند. نمونه‌هایی از آن‌ها در تلفن‌های هوشمند صرفاً برای نمایش تکنولوژی استفاده شده‌اند، اما دستگاه حاصله بسیار ضخیم بوده است. تکنولوژی ابرخازن‌ها قبل از معرفی به بازار نیاز به کوچک‌تر و ارزان‌تر شدن دارد. جدای از این‌ها چگالی بالای انرژی الکتریکی خازن‌ها و قابلیت تخله‌ی آنی ابرخازن، خطر جدی آتش‌سوزی را هنگام استفاده در دستگاه به وجود می‌آورد.
توصیه‌های عمومی برای بهبود عملکرد باتریهای لیتیومی
- باتریهای لیتیومی نیازی به شارژ اولیه ندارند. لازم نیست باتری خود را برای اولین بار ۲۴ ساعت زیر شارژ نگه دارید.
- رها کردن گوشی زیر شارژ حتی بعد از پر شدن باتری خطرناک نیست. البته به جز در مواردی خاص که مدار شارژ خراب شده باشد. هر چند رها کردن باتری زیر شارژ هنگامی که میزان شارژ آن به ۱۰۰٪ رسیده است برای مدت زمان طولانی توصیه نمی‌شود.
- تا جای ممکن از استفاده از شارژ سریع بپرهیزید. شارژ سریع دمای بیشتری تولید کرده و دمای زیاد موجب کاهش عمر باتری شما می‌شود.
- از شارژ کردن گوشی خود در دماهای زیر صفر درجه پرهیز کنید. شارژ در دماهای زیر نقطه‌ی انجماد موجب فرآیند بازگشت ناپذیر نشست فلز لیتیوم بر روی آند می‌شود.
- از رساندن میزان شارژ به ۰% خودداری کنید. این کار برای عمر باتری مناسب نیست.
- اگر از باتری برای مدت طولانی استفاده نمی‌کنید، شارژ آن را بر روی ۴۰ تا ۵۰ درصد نگه دارید. همچنین در صورت امکان باتری را از دستگاه جدا کنید.
سخن آخر
جدی ترین کاندیدای نسل بعدی باتریهای تلفن‌های هوشمند، باتریهای لیتیوم-سولفور هستند. این باتریها تقریباً برای تولید انبوه آماده بوده و نتایج امیدوار کننده‌ای از لحاظ بهبود ظرفیت و ایمنی از خود نشان داده‌اند. همچنین قیمت تمام شده‌ی تولید باتریهای لیتیوم سولفور به نسبت ارزان است. از طرف دیگر، هنگامی که آندهای لیتیومی آماده‌ی تولید انبوه با قیمتی مناسب شوند، شاهد جهشی در طول عمر باتریها خواهیم بود؛ چیزی که ابزارهای پوشیدنی به شدت به آن نیاز دارند.
بیش از یک دهه تا مشاهده‌ی ابرخازن‌ها در تلفن‌ها و تبلت‌هایمان فاصله داریم، اما جای نگرانی وجود ندارد؛ چرا که نانولوله‌های تیتانیوم دی‌اکسید بسیار زودتر از ابرخازن‌ها فرا خواهند رسید و زمان شارژ شدن دستگاه‌هایمان را چندین برابر بهبود خواهند داد. (البته اگر شرکت‌های سازنده زیر بار هزینه‌های اضافی تولید بروند.)
تکنولوژی‌های به کار رفته در باتریها پیوسته در حال پیشرفت هستند. شاید نتوان درباره‌ی آینده با قطعیت نظر داد؛ اما اگر به اندازه‌ی کافی صبر کنیم، یک چیز قطعی است:
“ترس از خالی شدن سریع باتری، سرعت کند شارژ، عمر کوتاه و ظرفیت کم، همه تبدیل به افسانه خواهند شد.”