چگونه بازده باتری موبایلمان را افزایش دهیم؟

در فرمونت کالیفرنیا، محققان کمپانی Layden Energy در حال کار روی افزایش عمر باتری با تغییر ترکیبات به کار رفته در آن هستند. ساختار اصلی باتری‌ها کاملاً سر راست است بنابراین بازطراحی این ساختار یک چالش بزرگ به شمار می‌رود. باتری‌های لیتیوم - یون، دو الکترود(یک کاتود و یک آنود) دارند به همراه یک ترکیب الکترولیت در میان آن دو که یون‌ها را بین‌شان انتقال می‌دهد تا شارژ یا تخلیه صورت گیرد.

هم‌اکنون محققان در آزمایشگاه‌های کمپانی Layden Energy مشغول تست باتری‌هایی هستند که با هر بار شارژ ۱۰٪ نسبت به باتری‌های فعلی شارژ بیشتری نگه می‌دارند. ترکیبی که آنها به عنوان نمک الکترولیت استفاده می‌کنند ایمید لیتیوم است، ترکیبی که مواد شیمیایی داخل باتری را پایدارتر نگه می‌دارد به خصوص وقتی که باتری به دماهای بالا می‌رسد. می‌دانید که تمام دستگاه‌ها دچار افزایش دما حین کارکردن اجزاء داخلی به خصوص پردازنده اصلی می‌شوند.

داغ شدن دستگاه علاوه بر افزایش خطر انفجار باعثمی‌شود باتری متورم شده و تولید اسید هیدروفلوریک را تشدید کند، این اسید برای باتری مانند سم است و در طول زمان عملکرد آن را دچار افت کیفی می‌کند. بنابراین یکی از دستاوردهای اولیه طرح Layden Energy می‌تواند پایین نگه داشتن دمای داخلی تلفن و بالا بردن عمر کلی باتری در استفاده‌های مداوم باشد.

Layden Energy مدعی است که این باتری طول عمری دو برابر باتری‌های لیتیوم - یون فعلی را در اختیار قرار می‌دهد. ظرفیت باتری‌های فعلی پس از ۳۵۰ تا ۵۰۰ سیکل شارژ - تخلیه به ۸۰٪ کاهش می‌یابد. ولی باتری جدید پس از ۷۵۰ تا ۸۰۰ سیکل، دچار چنین افتی می‌شود.

در عین حال تولید باتری با استفاده از ترکیب مخصوص این کمپانی که پتنت آن نیز ثبت شده، نیازی به تغییر ساختار کلی خطوط تولید انبوه باتری ندارد. در حقیقت هدف این کمپانی تولید باتری‌هایی بهتر با استفاده از تکنولوژی‌های فعلی و البته صرف هزینه مشابه بوده.

تولید این باتری اندکی گران‌تر از باتری‌های فعلی است و رسیدن آن به تولید انبوه برای عرضه به کمپانی‌ها ۱۸ ماه دیگر زمان می‌برد. کمپانی Nvidia در ماه ژوئن با Layden Energy قرارداد همکاری بسته تا طراحی تبلت‌های آینده مبتنی بر Tegra ۳ با در نظر گرفتن ساختار باتری جدید انجام گیرد. پس اگر شرکای انویدیا مثل ایسوس نیز از این باتری خوششان بیاید، می‌توانند در تولید آن مشارکت کنند.

راه‌حل دوم: به آغوش کشیدن سیلیکون


بسیاری از پژوهشگران برای رقم زدن عمر بهتر باتری‌ها، به سیلیکون نظر داشته‌اند؛ به خصوص برای ساخت آنود از این ماده. سیلیکون می‌تواند یون‌هایی ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت‌های فعلی را حمل کند. فقط یک مشکل بزرگ هست: آنودهای سیلیکونی خیلی راحت تورم کرده و می‌شکنند. در نتیجه باتری بی‌مصرف می‌شود.

اینجا است که پای پروفسور «یی کویی» از دانشگاه استنفورد به قضیه باز می‌شود. او یک ساختار دو دیوارهٔ سیلیکونی طراحی کرده که در آن با استفاده از یک دیواره لمسی بیرونی که همچون غلاف عمل می‌کند، سیلیکونِ داخل آنود از خورده‌شدگی و خرابی حفظ می‌شود.

تیم تحقیقاتی استنفورد مدعی است که باتری‌های لیتیوم - یون بهرمند از آنود سیلیکونی باید تا ۶۰۰۰ سیکل شارژ - تخلیه را پشت سر بگذارند تا اینکه ظرفیت اولیه‌شان کاهش پیدا کند، آن هم نه به ۸۰٪ بلکه به ۸۵٪ درصد.(می‌دانید که ۸۰ یا ۸۵ درصد استاندارد صنعت برای جایگزینی باطری قدیمی با نو به شمار می‌رود.)

مانند بسیاری از دانشمندان، پروفسور کویی نیز از نانو تکنولوژی برای ساخت آنود سیلیکونی خود بهره گرفته. نانو تکنولوژی در عین حال به او کمک کرده چیزی به نام " ضد - فضا " را در ساختار آنود سیلیکونی تعبیه کند که فضای خالیِ کافی برای تورم سیلیکون بدون شکستگی و خرابی آنود را فراهم می‌آورد. ضمن اینکه نانوتکنولوژی باعثافزایش سطح و در نتیجه افزایش واحدهای در دسترس برای انجام واکنش شیمیایی شده.

باید به این موارد، این را نیز افزود که ترکیبات جدید باعثکاهش وزن و کوچکتر شدن باتری نسبت به باتریهای فعلی لیتیوم - یون شده، آن هم بدون اینکه منجر به کاهش حجم انرژی ذخیره‌شده گردد. باتری‌های کوچکتر و قوی‌تر می‌توانند طراحی نهایی تلفن‌های هوشمند را نیز تغییر دهند و فضا برای افزودن امکانات بیشتر یا باریک‌تر شدن را فراهم کنند. شاید حتی بتوان به جای یک باتری، دو باتری در تلفن‌های آینده قرار داد!

کمپانی پروفسور کویی Amprius نام دارد و امیدوار است که تا دو سال آینده بتواند باتری‌های قدرتمند با ساختار نانو را در تبلت‌ها، تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و اتومبییل‌های برقی به کار گیرد.

کویی می‌گوید: «سیلیکون به خودیِ خود ارزان است و ما داریم فرآیند تولید مناسبی را برای ساخت این باتری جدید سیلیکونی طراحی می‌کنیم. موادی مثل سیلیکون می‌توانند تأثیر بزرگی بر صنعت ساخت تلفن‌های هوشمند بگذارند.»

راه‌حل سوم: به قلع فکر کن

محققین دانشگاه ایالتی واشینگتن نیز به دنبال جایگزین کردن آنود گرافیتی با یک ماده دیگر هستند، و این بار «قلع» انتخاب مناسب به نظر رسیده. رئیس تیم پژوهشی آقای «گرنت نورتون» و افراد زیر نظرش یافته‌هایی را گزارش کرده‌اند که بر اساس آنها، آنودی از جنس قلع می‌تواند تقریباً ظرفیت باتری را نسبت به آنود گرافیتی ۳ برابرافزایش دهد. حقیقت این است که گرچه انتخاب آنها نمی‌تواند به قدرتمندی باتری سیلیکونی باشد، ولی به ضعیفی دیگر تجارب پژوهشی اخیر نیز نیست.

تیم دانشگاه واشینگتن در راهکارِ خود از متد آبکاری استفاده کرده، فرآیندی که فلزی را بر روی یک سطح دیگر(در اینجا مس) قرار می‌دهد. آقای نورتون مدعی است که این آنود قلعی نه تنها عمر بیشتر بلکه هزینه کمتری نیز نسبت به آنودهای گرافیتی دارد. و از آنجایی که سایر اجزا باتری نسبت به باتری‌های تلفن‌های فعلی شما بدون تغییر خواهند ماند، این ایده تولید کنندگان را نیز جذب خواهد کرد. خوشبختانه فرآیند آبکاری اغلب در تولید محصولات تکنولوژیک به کار گرفته می‌شود و از این رو نباید مشکلی برای تهیه ماشین‌آلات مورد نیاز وجود داشته باشد.

راه‌حل چهارم: سه بُعدی سازی


(ساختار و طراحی باتری پیرتو)

حجم بزرگی از تمرکز بر روی فرآیندهای تحقیق و توسعه در زمینه باتری‌ها، توسط «اِیمی پریتو» و کمپانی‌اش، Prieto Battery انجام گرفته که نقشه‌های اساسی‌تری نسبت به سایرین دارند. آنها می‌خواهند به طور کلی ساختار باتری‌ها را دگرگون کنند.

پریتو باتری‌های لیتیوم - یون را در یک ساختار سه بُعدی یکپارچه به تصویر در آورده که در آن هیچ خبری از الکترولیت مایع نیست. در عوض اسفنج مس(نسل اول) با یک ساختار نانوسیمی(نسل دوم) قالب کلی را شکل می‌دهند و آنود، کاتود، و الکترولیت با استفاده از فرآیند آبکاری در سطح بالایی آن قرار خواهند گرفت.

اسفنج نانوسیم بسیار مهم است زیرا سطح لازم برای حرکت یون لیتیوم برای قرار گرفتن در جای خود را افزایش می‌دهد. فاصله کمتر میان اجزاء ساختار جدید، به این معنا است که شارژ باتری خیلی سریع‌تر انجام می‌گیرد. در تئوری، این زمان ۵ دقیقه برای یک شارژ کامل است. آرایش اجزاء باعثخواهد شد آنود و الکترولیت در تماس دائمی باشند که این خود باعثافزایش سرعت واکنش شیمیایی می‌شود.

پیرتو به جای گرافیت، از آلیاژ آنتیموانِ مس استفاده کرده که نسبت به گرافیت، واحدهای لیتیوم بیشتری را ذخیره‌سازی می‌نماید. باتری پریتو با یک بار شارژ ۵ دقیقه‌ای، ۱۰ ساعت کار می‌کند. نمونه اولیه آن بعد از ۷۵۰ سیکل شارژ - تخلیه ۲۰٪ از ظرفیت خود را از دست می‌دهد و بر اساس محاسبات، این باتری ۳۰٪ بیشتر از باتری‌های معمولی دوام خواهد داشت. البته باتری پیرتو هنوز در مرحله توسعه است ولی انتظار می‌رود ۱۸ ماه بعد از ارائه پتنت معماری آن به تولیدکنندگان، تولید انبوهش آغاز شود.

تنها ترکیب ناسالمی که در باتری پیرتو وجود دارد اسید سیتریک است و در نتیجه این باتری را باید بسیار پاک دانست. ضمن اینکه گفته می‌شود محصول نهایی بسیار ارزان قیمت خواهد بود.

راهی که در پیش رو است

ساختن باتری‌های بادوام‌تر فقط به رها کردن شارژر در خانه منتهی نخواهد شد بلکه منجر به ساخت تلفن‌های هوشمندتر نیز می‌شود. باتری‌های قوی‌تر می‌توانند پردازش‌های کامپیوتری پیچیده‌تر و بازی‌هایی با گرافیک بالاتر را تاب بیاورند؛ می‌توانند همراه با تجهیزات پزشکی پیچیده به کار گرفته شوند و البته عملکرد بهتری را برای دستیارهای صوتی به ارمغان بیاورند.

یک باتری با طول عمر بالا می‌تواند درها را به روی داشتن تلفن‌های هوشمند واقعی باز کند.

منبع: نارنجی