باتریهای امروز بههیچ عنوان کیفیت خوب و ایدهآلی ندارند؛ اما پژوهشگرانی در سراسر دنیا میخواهند شرایط را تغییر دهند.
باتری بهتر، یعنی محصولات بهتر. باتریهای خوب، عمر بیشتری در گوشی هوشمند دارند و دیرتر تمام میشوند و برای سفرهای طولانیمدتِ عاری از هرگونه استرس ناشی از خالی شدن باتری، عالی هستند. باتریها همچنین منبع ذخیرهی مؤثرتری برای سازههای بزرگی مثل مراکز داده هستند. اما فناوری باتری با سرعت کمی پیشرفت میکند که البته دلایل خودش را دارد؛ فرایندهای شیمیایی و همچنین مشکلات تجاریسازی طرحهای جدید باتری، بسیار سخت است. بهبود عملکرد باتری حتی برای ماهرترین شرکتها هم امری بسیار سخت تلقی میشود.
اما با وجود تمامی مشکلات، کسی دست از تلاش برای بهبود اوضاع برنمیدارد. پژوهشگران و فنشناسان در سالهای اخیر روشهای جدیدی در خصوص مواد تشکیلدهنده باتری شارژی لیتیوم یون ارائه کردهاند که میتوان با استفاده از آنها، وضعیت تراکم باتری را بهبود بخشید و مهمتر از آن امنیت باتری را بالا برد. مسلما چنین فناوریهای بهزودی 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.
اساس و اصول باتری
فناوری باتری بهاندازهای پیچیده است که حتی ماهرترین افراد برای درک آن، حس میکنند باید دکترای شیمی داشته باشند. بنابراین در اینجا سعی میکنیم بهصورت 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 شدهاند. 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 تشکیلدهنده 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 تشکیلدهندهی باتری کار میشود تا مواد جدیدی جایگزین آنها کنند که ثبات گرمایی و بهرهوری باتری را افزایش دهد. بهعنوان مثال بهجای اینکه از گرافیت کربن استفاده کنند، از ذرات نانوی سیلیکونی برای آند یا از الکترولیت جامد بهجای نوع مایع استفاده میکنند.
آند سیلیکونی
در باتریهای لیتیوم یون از مواد آند گرافیتی استفاده میشود. اما ذرات سیلیکونی بسیار ریز میتوانند جایگزینی 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.
جین بردیچوسکی، مدیرعامل 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 گفتهی 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 بهعنوان 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 کردهاند. 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 میکروسکپی 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 ۷ 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 پیادهسازی چنین روشهایی در آزمایشگاه زمانی یک امر موفق تلقی میشود که با بهتر کردن شرایط در یک قسمت، شرایط قسمتهای دیگر بدتر نشود؛ چون معمولا چنین امری در آزمایشگاهها رخ میدهد.
فلز لیتیوم
باتریهایی که از فلز لیتیوم ساخته شدهاند فورا توجهات را به خود جلب کردند. این نوع باتری ابتدا در اواخر دهه ۱۹۸۰ توسط مولیانرژی بهصورت 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 ۵ سال گذشته تغییرات خوبی کردهاند. طرح جدید این باتریها از فلز لیتیوم برای بخش آند منفی باتری بهجای 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 گفتهی پژوهشگران ARPA-E در مقالهای که در نیچر در دسامبر گذشته منتشر 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. همچنین ساختن باتری با الکترودهای فلز لیتیوم میتواند تراکم انرژی آن را تا ۵۰ درصد افزایش دهد.
هفتهی گذشته پژوهشگرانی از دانشگاه ییل مقالهای در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کردند که جزئیات یک شیوه جدید برای کار کردن با الکترودهای فلز لیتیوم را نشان میداد. طبق توصیف هیلاینگ ونگ، رهبر پژوهش، این شیوه تلاش میکند از ۸۰ تا ۹۰ درصد لیتیوم داخل باتری استفاده کند. قبل از اینکه باتریها مونتاژ شوند، پژوهشگران یک جداساز فیبری شیشهای در ترکیبات نیترات لیتیوم قرار دادند. موقع کار کردن باتری، آزاد شدن تدریجی نیترات لیتیوم و تجزیه آن، عملکرد الکترودهای فلز لیتیوم را بهبود میبخشد. اما بزرگترین مشکل فلز لیتیوم این است که باعث تولید گرمای زیادی در باتری میشود. ونگ و تیمش توانستند مؤثر بودن این ترکیب (فلز لیتیوم همراه مواد افزودنی محافظ) را در محیط آزمایشگاهی ثابت کنند. البته استفاده از چنین روشی در دنیای واقعی متفاوت است. ونگ گفت:
ما کارمان را در مقیاس کوچکی انجام دادیم و شرایط تحت کنترل ما بود، بنابراین مشکلی درمورد امنیت وجود نداشت. پیشرفت ما خوب بوده است؛ ولی هنوز برای عرضه باتری به بازار تلاشهای بیشتری باید صورت بگیرد.
حالت جامد
افراد متخصص در عرصهی باتریها گاهی اوقات بهجای عبارت فلز لیتیوم از اصطلاح حالت جامد استفاده میکنند؛ چرا که هر دو عبارت برای بخشهای مختلف باتری و ساختار کلی باتریها بهطور همزمان مصداق دارند. حالت جامد باتریها مانند فلز لیتیوم توجه زیادی در سالهای اخیر به خود جلب کردهاند؛ چراکه میتوان از آنها در خودروهای الکتریکی استفاده کرد. یک باتری حالت جامد با نوعی سرامیک یا شیشه، میتواند بهجای 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 درنتیجه ظرفیت آن افزایش مییابد.
یکی از شرکتهای ووبورن شیوهای متفاوت به کار گرفته است. این شرکت مواد یونی به همراه یک پلیمر یا پلاستیک رسانای یونی را جایگزین الکترولیت مایع میکند. این ترکیب در مقابل آتش مقاوم است.
مایک زیمرمن، مدیر عامل مواد یونیک متریال، میگوید:
افراد روی آندها و کاتدهای مختلف کار میکنند؛ درحالیکه مانع اصلی پیشرفت باتری، همان الکترولیت است که ما قصد داریم در آینده وضعیت آن را بهبود بخشیم.
طبق گفتهی زیمرمن، سرامیک و شیشه میتوانند شکننده باشند و باعث خارج شدن گاز هنگام قرار گرفتن در معرض رطوبت شوند؛ بنابراین نمیتوانند راه حل مناسبی برای باتریهای جامد باشند. بهگفتهی یکی از سرمایهگذاران اصلی یونیک متریال، این شرکت در تلاش است تا بهترین ویژگیهای باتریهای قلیایی کمهزینه را با برق و ماهیت قابل شارژ مجدد یون لیتیوم را ترکیب کند که اگر موفق شود، میتواند حتی شبکهی هوشمندی جدیدی برای فناوری خود به وجود بیاورد.
البته چنین پیشرفتی قرار نیست حتما بهزودی وارد بازار باتری شود. سال گذشته شرکت تویوتا اعتراف کرد که در توسعهی باتریهای جامد به مشکلاتی برخورده است. سپس نوبت به اظهار نظر معاون ارشد پژوهش و مهندسی شرکت نیسان در ماه آوریل رسید. طبق گفته او، توسعهی باتریهای حالت جامد عملا در مرحلهی صفر قرار دارد.
البته یک حرکت دیگر از یونیک متریال مزیت دیگری برای شرکتش به همراه داشت. طبق اعلام شرکت، آنها قصد ندارند کار تولید و ساخت باتری را بر عهده بگیرند، بلکه تنها لایسنس فناوری خود را در اختیار سازندگان باتری موجود قرار خواهند دهاد. برای اکثر نوآوران و مبتکران عرصه باتری، حتی اگر بتوانند مشکلات مربوط به مواد، شیمی و امنیت باتریها را حل کنند، باز هم ساختن یک کارخانهی تولید باتری واقعا کار سختی است؛ مگر اینکه فردی مثل ایلان ماسک باشید و شرکت بزرگ تسلا در اختیارتان باشد.