>  > , نکات سخت افزاری > باتری جامد چیست و چگونه می‌تواند به انقلابی عظیم در آینده منجر شود؟

باتری جامد چیست و چگونه می‌تواند به انقلابی عظیم در آینده منجر شود؟

آیا تاکنون صنعت تلفن‌های همراه هوشمند و نوآوری‌های انجام شده در آن را از نزدیک دنبال کرده‌اید؟ بدون شک حوزه تلفن‌های همراه هوشمند با سرعت شگرفی پیوسته در حال پیشرفت بوده و با تغیر نسل و یا ارائه محصولات جدید، فناوری‌های نوین و منحصر به فردی را در اختیار مصرف‌کنندگان خود قرار می‌دهند، اما یکی از بزرگ‌ترین نقاط ضعف تمامی دستگاه‌های قابل حمل، یعنی باتری متأسفانه با فاصله فراوانی عقب‌تر از وسایل وابسته به خود قرار داشته و آن‌چنان که باید و شاید در طی سال‌های اخیر پیشرفتی را از خود به نمایش نگذاشته‌اند.

ارائه فناوری‌های نوین و افزودن قابلیت‌های جدید به ساختار تلفن‌های همراه هوشمند در افزایش میزان مصرف انرژی آن‌ها تأثیرگذار بوده و اگرچه منابع باتری بهبودهای گوناگونی را در قالب افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی خود، تکنولوژی‌های شارژ سریع و … به ارمغان آورده‌اند، اما سرعت پیشرفت آن‌ها در مقایسه با اسمارت‌فون‌ها بسیار کمتر بوده و به‌صورت حلزونی‌وار در حال حرکت می‌باشند. حقیقت امر آن است که منابع ذخیره‌ساز انرژی فوق بر طبق بررسی‌های اخیراً انجام شده عملکرد ضعیف‌تری را در قالب برخی از تلفن‌های همراه هوشمند از خود به نمایش گذاشته و در بهترین حالت توانسته‌اند کارکرد مطابق با نسول پیشین خود را حفظ نمایند، در صورتی که شما تلفن‌های همراه یک دهه پیش را با حال حاضر مقایسه کنید. اگر صنعت منابع باتری نیز با سرعتی یکسان با محصولات مذکور مورد پیشرفت قرار گرفته بوده‌اند، آیا تصور استفاده یک هفته‌ای، یک ماهه و یا حتی بیشتر از تلفن‌های همراه همراه تنها با یک مرتبه شارژ دور از ذهن به شمار می‌رفت؟

ضعف منابع ذخیره‌ساز انرژی فوق بدون شک غیرقابل انکار محسوب می‌شود، اما آیا نوآوری‌هایی در خصوص این موضوع انجام شده و افرادی به دنبال یافتن روشی جایگزین جهت طراحی و تولید باتری‌های بسیار پر راندمان‌تر با میزان دوام بیشتر اقدام نموده‌اند؟ در پاسخ باید گفت که بله و در حال حاضر عنوان باتری‌های جامد (یا وضعیت جامد) بر آن‌ها اطلاق یافته است، اما چه مؤلفه یا مؤلفه‌هایی در مورد منابع فوق منحصر به فرد به شمار می‌روند که درزمینهٔ دگرگونی آینده ممکن است تأثیرگذار باشند؟ جهت درک بهتری موضوع بهتر است تا با ساختار باتری‌های قابل شارژ مجدد آشنایی بیشتری پیدا کنیم.

منابع ذخیره‌ساز باتری در حالت کلی از تعداد دو الکترود یا صفحه فلزی در رو به روی یکدیگر تشکیل شده‌اند که یون‌های انرژی بر روی صفحات نامبرده قرار گرفته و سپس با حرکت به سمت همدیگر، عملیات شارژ و دشارژ را به انجام می‌رسانند. صفحات اشاره شده در حالت کلی از بارهای فراوانی برخوردار و الکترود میزبان بار مثبت تحت عنوان آند و الکترود میزبان بار منفی نیز به‌عنوان کاتد شناخته می‌شود. حال به‌منظور افزایش ظرفیت باتری و همچنین افزودن قابلیت رسانایی به آن و فراهم آمدن شرایطی جهت حرکت یون‌های انرژی، صفحات موجود در مایعی نمکی (الکترولیت) از جنس لیتیوم شناور بوده و یا در برخی از منابع عنوان شده است که مایع موجود در فیمابین دو الکترود قرار گرفته‌اند. علت اطلاق عنوان Li-ion یا به عبارتی دیگر یون لیتیوم به‌تمامی باتری‌های مورد استفاده در تلفن‌های همراه هوشمند و دستگاه‌های قابل حمل، مایع هادی و واسط اشاره شده می‌باشد.

هنگامی‌که باتری در حال شارژ است، یون‌های انرژی از صفحه حاوی بار منفی (کاتد) به سمت صفحه حاوی بار مثبت (آند) حرکت کرده و در حالت استفاده توسط دستگاه، روند فوق به‌صورت معکوس اتفاق افتاده و بار‌های موجود از سمت الکترود مثبت به سمت الکترود منفی حرکت کرده و این روند تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که بخشی از یون‌ها به دلایل گوناگون از بین رفته و ظرفیت باتری با کاهش بیشتری همراه شود. اکنون با افزایش اندازه باتری، الکترودهای موجود در بطن آن نیز بزرگ‌تر شده و این مهم به معنای قابلیت قرارگیری یون‌های بیشتر بر روی صفحات و لذا افزایش ظرفیت نهایی ذخیره‌سازی انرژی می‌باشد.

حال که با ساختمان باتری‌های سنتی لیتیومی و حاوی ماده مایع آشنایی پیدا کردیم، ادامه نوشته را با پرداختن به منابع وضعیت جامد به پیش می‌بریم.

هنگامی‌که صحبت از باتری‌های جامد به میان می‌آید، ممکن است بلافاصله تفکر دیسک‌های جامد یا به عبارتی SSD در ذهن برخی شکل گیرد، اما آیا دو محصول فوق از شباهتی با یکدیگر برخوردار می‌باشند؟ در پاسخ باید گفت که بله، زیرا ماهیت آن دو و زیرساخت نهان در پشت پرده آن‌ها یکسان است. یک سخت‌افزار SSD از آن جهت جامد در نظر گرفته می‌شود که هیچ‌گونه المان متحرکی در ساختار آن به چشم نخورده و فرآیند ذخیره‌سازی اطلاعات در قالب تراشه‌های حافظه ثابت صورت می‌پذیرد، در حالی که این مهم در یک دیسک سخت (HDD) بر روی پلاتر دوار مغناطیسی انجام شده و حرکت آن در تغییر عنوان تأثیرگذار می‌باشد.

یک باتری جامد در حالت کلی میزبان هیچ‌گونه المان و یا بخش مایعی نبوده و الکترودهای مثبت و منفی و الکترولیت احاطه‌کننده آن‌ها تماماً مبتنی بر فلز، آلیاژ و یا مواد مصنوعی دیگری می‌باشند. بخش‌های اصلی تشکیل‌دهنده باتری‌های جامد می‌توانند به‌صورت سه لایه مسطح فشرده در مجاورت یکدیگر قرار گرفته و معلق نمودن آن‌ها در مایع واسط رسانا دیگر لازم و ضروری به شمار نمی‌رود. این خود بدان معنی است که امکان افزایش چشمگیر ظرفت باتری در اندازه‌ای یکسان و یا کوچک‌تر نمودن آن‌ها به‌راحتی امکان‌پذیر بوده و سایز منابع فوق دیگر به‌عنوان یکی از مؤلفه‌های محدودیت در کاهش ضخامت دستگاه‌های توسعه یافته مطرح نمی‌باشد.یک لپ‌تاپ را در نظر بگیرید که از منبع باتری جامد در آن استفاده شده است. در صورتی که دستگاه فرضی ما از یک باتری در اندازه و ضخامت منبع مایع و سنتی حال حاضر خود برخوردار باشد، ظرفیت آن با افزایش بسیار چشمگیری همراه شده و طول عمر فراوانی را با خود به ارمغان می‌آورد؛ از طرفی دیگر طراحی و تولید یک باتری جامد در ظرفیتی یکسان کاهش اندازه و در نتیجه نزول ضخامت و ابعاد کلی دستگاه لپ‌تاپ را منجر می‌شود. بر طبق بررسی‌های انجام شده، یک باتری جامد قادر است تا نمونه‌های یکسان خود را با ظرفیتی بالغ بر 500 درصد بیشتر شکست داده و مدت زمان مورد نیاز برای شارژ دوباره آن‌ها نیز به یک دهم واحدهای سنتی حال حاضر تقلیل یافته است.

از جمله دیگر مزیت‌های به ارمغان آورده شده توسط باتری‌های جامد می‌توان به سرعت شارژ بیشتر و همچنین امنیت فراتر اشاره کرد. از آنجایی که منابع نوین مذکور هیچ‌گونه ماده مایعی را در ساختار خود جای نداده و تماماً مبتنی بر فلز و یا آلیاژهای فلزی می‌باشند، لذا سرعت حرکت الکترون و یون‌های انرژی با سرعت بسیار فراتری همراه می‌شوند. علاوه بر آن به بیرون جهیدن مایع شیمیایی و اشتعال‌زای لیتیوم و یا موارد مشابه از درون باتری هنگام ترکیدن آن که ممکن است به بروز فجایعی همچون آتش‌سوزی و … منجر شود نیز دیگر به‌عنوان یک گزینه مطرح نمی‌باشد (آنچه که به‌عنوان اسید باتری شناخته می‌شود در حقیقت همان مایع واسط رسانای پیشتر اشاره شده می‌باشد).

همان‌گونه که هر فناوری نوینی در ابتدای ورود خود از معایبی رنج می‌برد، نقطه ضعف باتری‌های جامد را اکنون در قیمت بسیار گزاف و چشمگیر آن‌ها می‌تواند مشاهده کرد. بر طبق تخمین‌های انجام شده، هزینه‌های مورد نیاز برای طراحی و توسعه یک باتری جامد در ابعاد و اندازه تلفن‌های همراه هوشمند به 15 هزار دلار افزایش پیدا می‌کند، در حالی که این مهم در اتومبیل‌های الکتریکی و دیگر وسایل مشابه بالغ بر 100 هزار دلار می‌باشد که این خود عملاً استفاده تجاری از آن‌ها را در حال حاضر غیرممکن کرده است.

اگرچه قدمت گمانه‌زنی‌های موجود پیرامون باتری‌های جامد به بیش از یک دهه پیش باز می‌گردد، اما تحقیق و تفحص پیرامون توسعه و جستجو مواد اولیه فلزی جهت استفاده در قالب آن‌ها اخیراً شروع و هنوز زمان بسیار فراوانی (شاید ده سال و یا بیشتر) به استفاده از آن‌ها در قالب دستگاه‌های روزمره نظیر تلفن‌های همراه هوشمند و … با قیمتی معقول مانده باشد.

نظر بگذارید