باتری انقلابی آینده؛ شارژ کامل آیفون در ۳ دقیقه و دوام تا ۱۶۴ سال!
یکی از بزرگترین گلوگاههای تکنولوژی امروز، باتریها هستند. با وجود پیشرفتهای خیرهکننده در پردازندهها و نمایشگرها، ما هنوز با چالشهایی مثل شارژ طولانی، عمر کوتاه و خطر آتشسوزی باتریهای لیتیومی دستوپنجه نرم میکنیم.
به گزارش هفت صبح باتری تلفن همراه آینده شاید دههها دوام بیاورد و تنها در چند دقیقه شارژ شود.
توسعه باتری جدید روی-ید در استرالیا
پژوهشگران استرالیایی دانشگاه فلیندرز نوع جدیدی از باتری روی-ید را توسعه دادهاند؛ باتریای که از فناوری کاملاً متفاوتی استفاده میکند، بر پایه آب ساخته شده است و بهدلیل همین ویژگی، خطر آتشگرفتن ندارد. اما آیا این باتری میتواند انرژی مورد نیاز آیفون یا گوشیهای گلکسی آینده را تأمین کند؟
باتریها همچنان یکی از بزرگترین گلوگاههای فناوری مدرن به شمار میروند. دانشمندان سالهاست در تلاشاند به پیشرفتی اساسی در حوزه باتری دست پیدا کنند؛ حوزهای که فناوری غالب آن، یعنی باتریهای لیتیومیونی، قدمتی مربوط به دهه ۱۹۶۰ دارد. امروزه نیز با افزایش استفاده از خودروهای برقی، شرکتها سرمایهگذاری بیشتری روی تحقیقات باتری انجام میدهند.
اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه فلیندرز در استرالیا شاید به یک پیشرفت مهم دست یافته باشد. ماده کلیدی در این فناوری، نشاسته است.
«این سیستم با استفاده از پلیمرهای ارزانقیمت و زیستتخریبپذیرِ برگرفته از الیگوساکاریدها، رویکردی تازه برای کاهش پدیده انتقال پلییودید ارائه میدهد و به توسعه باتریهای آبیِ روی-ید با عمر طولانی و پایداری بیشتر کمک میکند.»
— ژونگفان جیا، استاد شیمی دانشگاه فلیندرز
باتریهای روی-ید فناوری تازهای نیستند و بیش از ۲۰ سال است که مورد مطالعه قرار میگیرند. نخستین نمونه مستند از باتری روی-ید نیز به سال ۱۹۸۴ بازمیگردد. بااینحال، تیم دانشگاه فلیندرز راهی برای استفاده از یک پلیمر آلی کمهزینه بر پایه سیکلودکسترین پیدا کرده است.
سیکلودکسترین در اصل یک مولکول قندیِ بهدستآمده از نشاسته است. این ماده در صنایع غذایی، محصولات آرایشی، داروسازی و حوزههای مختلف دیگر کاربرد دارد؛ اما ویژگی مهم آن برای این باتری، توانایی بهدامانداختن و آزادسازی پلییودینهاست؛ اتمهایی که حامل بار الکتریکی هستند.
آیا این باتری عملکرد خوبی دارد؟
باتریهای روی-ید، آبی و بسیار ایمن هستند. از آنجا که الکترولیت این باتریها بر پایه آب است، مانند باتریهای لیتیومیونی دچار فرار حرارتی نمیشوند و بهصورت خودبهخودی آتش نمیگیرند.
پژوهش انجامشده نشان میدهد این باتری در حالت نخست میتواند با ظرفیت ۲۰۵ میلیآمپرساعت بر گرم، تا ۸ هزار چرخه دوام بیاورد و در ۷ دقیقه بهطور کامل شارژ شود. در حالت دیگر نیز میتواند با ظرفیت ۱۵۰ میلیآمپرساعت بر گرم، بیش از ۶۰ هزار چرخه دوام داشته باشد و تنها در ۳ دقیقه شارژ شود.
برای درک بهتر این ارقام، پژوهشگران میگویند:
«باتریهای آبیِ روی-ید مجهز به پلی(بتا-سیکلودکسترین) و KI₃ میتوانند در حالت ذخیرهسازی دوالکترونی به ظرفیت ۲۰۵ میلیآمپرساعت بر گرم، یا در حالت ذخیرهسازی چهارالکترونی به ظرفیت ۳۶۵ میلیآمپرساعت بر گرم دست پیدا کنند. شیمیِ دربرگیری میان آنیونهای پلیهالید و پلی(بتا-سیکلودکسترین) به باتری اجازه میدهد بیش از ۶۰ هزار چرخه کار کند. میزان افت ظرفیت نیز در هر چرخه، بسته به نوع ذخیرهسازی، تنها بین ۰٫۰۰۰۱ تا ۰٫۰۰۰۳ درصد است.»
— پژوهش منتشرشده در نشریه Angewandte Chemie International Edition
برای نمونه، باتری گلکسی زد فولد ۸ برای حدود ۱۲۰۰ چرخه شارژ طراحی شده است. اگر هر روز گوشی را شارژ کنید، این میزان کمی بیشتر از سه سال دوام خواهد داشت. در مقابل، ۶۰ هزار چرخه معادل حدود ۱۶۴ سال شارژ روزانه است. حتی سناریوی ۸ هزار چرخه نیز به معنای بیش از ۲۱ سال استفاده روزانه خواهد بود.
سرعت شارژ نیز چشمگیر است. گلکسی زد فولد ۸ برای شارژ کامل به حدود یک ساعت زمان نیاز دارد؛ درحالیکه باتریهای جدید روی-ید میتوانند ۱۰ تا ۲۰ برابر سریعتر شارژ شوند. اما نقطهضعف این فناوری چیست؟
آیا این باتری همان باتری آیفون آینده است؟
متأسفانه هنوز نه. بهگفته پروفسور ژونگفان جیا از دانشگاه فلیندرز، این فناوری میتواند مسیر را برای توسعه شیمیهای جدید باتری در حوزه ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ هموار کند و جایگزینی برای باتریهای لیتیومیونی معمولی باشد.
«باتریهای آبیِ قابلشارژ روی-ید در حال تبدیلشدن به جایگزینی مناسب برای باتریهای لیتیومیونی در سامانههای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ هستند. گروه ما اکنون با صنعت همکاری میکند تا یک بستر نمونهسازی برای این سیستم باتری ایجاد کند.»
— ژونگفان جیا، استاد دانشگاه فلیندرز
مشکل اصلی این است که با وجود برتریهای شیمیایی باتریهای روی-ید، ظرفیت حجمی آنها بسیار کمتر از باتریهای لیتیومیونی است. به همین دلیل، برای دستیابی به ظرفیت مشابه یک سلول لیتیومیونی، باتری روی-ید باید ابعاد بسیار بزرگتری داشته باشد.
به همین علت، نخستین کاربردهای این فناوری احتمالاً در تأسیسات بزرگ ذخیرهسازی انرژی و سامانههای ذخیرهسازی برق تولیدشده از پنلهای خورشیدی خواهد بود؛ برای مثال، ذخیره انرژی در مقیاس خانگی یا نیروگاهی.
آیا این فناوری میتواند جایگزین باتریهای سیلیکون-کربن شود؟
سامسونگ در خانواده گلکسی زد فولد ۸ از فناوری باتری سیلیکون-کربن استفاده کرده است. اما باتریهای روی-ید آبی، دستکم در شرایط فعلی، نمیتوانند جایگزین مستقیم این فناوری شوند.
باتریهای سیلیکون-کربن همچنان از همان شیمی لیتیومیونی استفاده میکنند، اما در ساختار الکترود آنها سیلیکون به کار میرود تا یونهای بیشتری در فضای یکسان ذخیره شود و چگالی انرژی افزایش پیدا کند.
در مقابل، باتریهای آبیِ روی-ید از شیمی کاملاً متفاوتی بهره میبرند و در ولتاژهای متفاوتی کار میکنند. ولتاژ کاری آنها حدود ۱٫۳ تا ۱٫۴ ولت است، درحالیکه باتریهای لیتیومیونی و سیلیکون-کربن معمولاً با ولتاژ حدود ۳٫۷ ولت کار میکنند.
بااینحال، هنوز جای امیدواری وجود دارد. اگر این فناوری در آزمایشهای بیشتر عملکرد خود را ثابت کند، مهندسان میتوانند بهتدریج آن را بهینه و کوچکتر کنند. بنابراین، گوشیهایی که تنها در ۳ دقیقه شارژ میشوند و باتری آنها چند دهه دوام میآورد، شاید آنقدرها هم دور از دسترس نباشند.
