نگاهی به تکنولوژی‌های جدید ساخت باتری‌های قابل حمل

تعرفه تبلیغات در سایت
عنوان عکس
عنوان عکس
عنوان عکس
عنوان عکس
عنوان عکس

آرشیو مطالب

جستجوگر

امکانات وب

پر مخاطب ها

برچسب ها

واحد خبر mobile.ir : اگر همچون نویسنده این مطلب سن و سالی از شما گذشته باشد، روزگاری را به خاطر دارید که دستگا‌ه‌های تلفن همراه در هر بار شارژ شدن تا روزها بعد، از شارژ مجدد بی‌نیاز بودند. آن روزها ظرفیت باتری و شارژدهی آن، دغدغه خریداران گوشی‌های همراه نبود. روزگاری که در مسافرت‌های کوتاه نیازی به همراه بردن شارژرها نبود و حتی بسیاری از افراد دستگاه همراه خود را فقط آخر هفته‌ها شارژ می‌کردند. اما این روزها که اکثر افراد از گوشی‌های هوشمند استفاده می‌کنند، شارژدهی بیش از سه روز به یک افسانه تبدیل شده است. شارژرها به یکی از اجزای اصلی بار و بندیل سفر بدل گشته‌‌ و یک خانواده کوچک برای سفری کوتاه، کلکسیونی از شارژرهای مربوط به انواع دستگاه‌های همراه را در کیف و چمدان‌های خود جای می‌دهند. این روزها در دنیای گوشی‌های هوشمند کار به جایی رسیده است که دستگاهی با امکان 2 روز شارژدهی در شرایط مصرف متوسط، از این لحاظ ایده‌آل محسوب گردیده و پدیده‌ای نادر به شمار می‌رود.

portable batteries technology overview

طی دو دهه گذشته تلفن‌های همراه از دستگاه‌هایی غیر قابل حمل در یک جیب معمولی که صرفا برای برقراری ارتباط صوتی به کار می‌رفتند، به کامپیوترهایی قدرتمند و پرکاربرد در گوشه‌ای از جیب‌ کاربران تکامل یافته‌اند. ظهور سیستم‌عامل‌های همراه، انبوهی از نرم‌افزارها و سرویس‌های آنلاین را روانه این دستگاه‌ها نمود. از سوی دیگر سخت‌افزار دستگاه‌های موبایل نیز همراه با نرم‌افزار رشد نموده، علاوه بر ارتقای روز به روز پردازنده و واحدهای حافظه، اجزا و تجهیزات جدیدی از جمله انواع حسگرها، پردازنده‌های گرافیکی، دوربین پشت، دوربین جلوی دستگاه و بسیاری موارد دیگر به این دستگاه‌ها اضافه گردید. بدیهی‌ست که تمامی این نرم‌افزارها و سخت‌افزارهایی که به سرعت در حال گسترش و ارتقا هستند، برای فعالیت خود انرژی الکتریکی بیشتری را از باتری‌ها طلب می‌کنند. با وجود این که اکثر اجزای سخت‌افزاری همواره همراه و حتی فراتر از نیاز سیستم‌عامل و نرم‌افزارهای موجود در حال پیشرفت بوده‌اند، تکنولوژی باتری‌ها از این قاعده مستثنی بوده و در دو دهه گذشته پیشرفت بنیادی و قابل توجهی به خود ندیده است.

البته دانشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی و صنعتی در سرتاسر دنیا همواره روی انواع تکنولوژی‌های ساخت باتری در حال تحقیق و آزمایش بوده‌اند. اما سال‌ها کم توجهی تولیدکنندگان و شرکت‌های بزرگ دنیای تکنولوژی در سرمایه‌گذاری روی توسعه این تکنولوژی‌ها از یک سو، ریسک و هزینه‌های بالای تغییر بنیادی در تکنولوژی و روش‌های تولید باتری‌ها از سوی دیگر عامل به نتیجه نرسیدن این تحقیقات تا به امروز بوده است. در سال‌های اخیر با شتاب گرفتن پیشرفت سخت‌افزار و نرم‌افزار دستگاه‌های هوشمند همراه، باتری‌ها به عامل محدود کننده این دستگاه‌ها بدل گشته و در نتیجه توجه جدی تولیدکنندگان را به خود جلب نموده‌اند. همین مساله باعث شده است تا پیشرفت مهمی در توسعه تکنولوژی‌های ساخت باتری‌ حاصل شده و شرایط برای تحول در این صنعت فراهم گردد. بر اساس نتایج منتشر شده از تحقیقات مختلف و نمونه‌های اولیه تولید شده بر مبنای این تحقیقات، پیش‌بینی می‌شود که سال آینده میلادی شاهد صنعتی شدن یک یا چند نوع از این باتری‌های جدید باشیم. به همین خاطر مناسب دیدیم تا در این مطلب شما را با برخی از این تکنولوژی‌های جدید آشنا کنیم.

باتری‌های سدیم-یون

این نوع باتری که برای ذخیره‌سازی انرژی از نمک(یون سدیم) بهره می‌گیرد، سال‌هاست در حال توسعه قرار داشته و نمونه‌های آزمایشی مختلفی از آن تولید گردیده‌اند. نمک سدیم نسبت به لیتیوم مورد نیاز برای باتری‌ها رایج امروزی، بسیار ارزان‌تر و فراوان‌تر است. همین مساله موجب می‌شود تا در کاربردهایی که وزن و تراکم انرژی از درجه اهمیت کمتری برخوردار است، باتری‌های سدیم-یون جایگزینی مناسب برای نمونه‌های لیتیومی فعلی به شمار روند. همچنین بر خلاف باتری‌های لیتیومی، این باتری‌ها در صورتی که برای مدت طولانی خالی از شارژ نگهداری شوند، به هیچ وجه دچار مشکل نخواهند شد. این خاصیت، مشکلات و خطرات احتمالی انبارسازی و جابجایی باتری‌ها در حجم بالا را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

Na ion bettery

یک شبکه از محققین و شرکت‌های صنعتی فرانسه با نام RS2E، در سال 2015 اعلام نمودند که نمونه‌ای از این نوع باتری را با استاندارد لازم برای به کار رفتن روی لپ‌تاپ‌ها و حتی خودروهای الکتریکی تولید نموده‌اند. روش ساخت و چگونگی کارکرد این باتری‌ تا به امروز مخفی نگاه داشته شده و اطلاعات محدودی از آن به طور رسمی منتشر گردیده است. یک نمونه 6.5 سانتیمتری از این باتری قادر است تا توان الکتریکی 90 وات بر ساعت را به ازای هر کیلوگرم تامین نماید، که از این لحاظ با باتری‌های لیتیوم-یون امروزی قابل مقایسه است. البته عمر مفید نمونه‌های اولیه این باتری‌ها که 2000 سیکل شارژ گزارش شده است، چندان مناسب نبوده و نیاز به ارتقا دارد.

باتری‌های دو-یون آلومینیوم-گرافیت

یک تیم تحقیقاتی چینی موفق به توسعه تکنولوژی جدید و کم هزینه‌ای در ساخت باتری‌ شده است که از بسیاری جهات نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون امروزی برتری دارد. این باتری‌ دو-یون در مقایسه با باتری‌های تک-یون لیتیومی، تراکم انرژی بیشتری را همراه با وزن، حجم، و هزینه ساخت به مراتب پایین‌تر تامین می‌نماید. الکترودهای این نوع باتری از جنس آلومینیوم و گرافیت بوده و الکترولایت‌های آن از نمک لیتیوم و حلال کربنات ساخته می‌شود. از آنجا که اکثر باتری‌های امروزی در الکترودهای‌شان دارای مواد سمی هستند، دور ریختن آن‌ها مشکلات مهمی را برای محیط زیست به دنبال دارد. در حالی که آلومینیوم و گرافیت به کار رفته در الکترودهای این نوع باتری علاوه بر ارزان قیمت بودن، خاصیت سمی نداشته و آسیب جدی به محیط زیست وارد نمی‌کنند.

Aluminum Graphite Dual Ion Battery

Tang Yongbing، رهبر این تیم تحقیقاتی می‌گوید: "باتری‌‌های آلومینیوم-گرافیت در مقایسه با باتری‌های رایج لیتیوم-یون(LIB)، برتری‌ محسوسی از جهت هزینه ساخت (حدود 50 درصد کمتر) و تراکم انرژی (1.3 تا 2 برابر) دارند.".

به نظر می‌رسد که این نوع باتری پتانسیل زیادی برای تولید در مقیاس بالا و به‌کارگیری روی تجهیزات الکترونیکی و خودروهای الکتریکی داشته باشد. تجاری‌سازی موفق این تکنولوژی می‌تواند زمینه‌ساز‌ پیشرفتی قابل توجه در عرصه تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، خودروهای الکتریکی، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و دیگر حوزه‌های وابسته به باتری‌ گردیده و تحولی مهم در صنعت انرژی پدید آورد. چنانچه تمایل دارید تا با جزئیات فنی و علمی باتری‌های آلومینیوم-گرافیت آشنا شوید، می‌توانید مقاله منتشر شده توسط این تیم را مطالعه فرمایید.

باتری‌های نانوسیم طلا

محققین دانشگاه Irvine کالیفرنیا موفق به ساخت باتری‌های نانوسیمی شده‌اند که قابلیت تحمل دفعات فراوان شارژ مجدد را داشته و می‌تواند زمینه‌ساز تولید باتری‌هایی شود که هرگز نمی‌میرند. نانوسیم‌ها رشته‌هایی هزاران برابر نازک‌تر از یک رشته موی انسان هستند که پتانسیل بالایی برای به کار رفتن در ساخت باتری‌ها دارند. سال‌هاست که دانشمندان در تلاش برای ساخت باتری‌هایی با استفاده از نانوسیم‌ها بوده و با مشکل مهم شکسته شدن آن‌ها در هنگام شارژ مجدد مواجه بوده‌اند. حال این گروه از دانشمندان با قرار دادن نانوسیم‌های طلا درون الکترولایت‌هایی ژلاتینی موفق به غلبه بر این مشکل گردیده‌اند. باتری‌‌های ساخته شده بر مبنای این تکنولوژی، در آزمایش‌هایی طی یک دوره سه ماهه 200 هزار بار شارژ مجدد گردیده و هیچ‌گونه افت کیفیتی از خود نشان نداده‌اند. این باتری‌ها چنانچه در آینده به مرحله تجاری‌سازی برسند، می‌توانند گزینه‌ای ایده‌آل برای تامین انرژی در ماشین‌های الکتریکی، فضاپیماها و حتی گوشی‌هایی باشند که هرگز نیازمند تعویض باتری نخواهند بود.

برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید به این مطلب که پیش‌تر در مورد همین نوع باتری روی سایت منتشر شده است مراجعه فرمایید.

باتری‌های حالت-جامد (SSB)

All Solid State Battery

باتری‌های رایج امروزی (باتری‌های حالت-مایع) از الکترودهای جامد و الکترولایت‌هایی در حالت مایع تشکیل می‌شوند. اما در یک باتری حالت-جامد هم الکترودها و هم الکترولایت‌ها در حالت جامد هستند. باتری‌های لیتیومی حالت-مایع، برای انتقال ذرات باردار بین الکترودها از الکترولایت‌هایی مایع بهره می‌گیرند. این الکترولایت مایع قابل اشتعال بوده و همچنین به مرور با از دست دادن کیفیت خود موجب ضعیف شدن و در نهایت خراب شدن باتری می‌شود. جایگزینی الکترولایت مایع با یک ماده جامد سبب می‌شود که باتری‌های حالت-جامد‌ معمولا فاقد مشکل گرم شدن بیش از حد و آتش گرفتن بوده، و در مجموع پایداری، ایمنی و عمر مفید به مراتب بیشتری نسبت به باتری‌های حالت-مایع داشته باشند. البته رسانایی الکتریکی الکترولایت جامد نسبت به حالت-مایع کمتر بوده و عبور دادن جریان‌های قوی از آن‌ها دشوارتر است. بنابراین به طور کلی باتری‌های حالت-جامد تراکم انرژی بالایی را با توان الکتریکی کمتر فراهم می‌کنند.

بر اساس آزمایشات دانشمندان دانشگاه MIT، این نوع باتری‌‌ها پس از صدها هزار سیکل شارژ اثری از افت کیفیت و ظرفیت از خود نشان نداده و قادر هستند تا 30 درصد تراکم انرژی بیشتری را ارائه نمایند. البته دانشمندان تخمین می‌زنند که باتری‌های حالت-جامد پتانسیل تامین 2 تا 3 برابر تراکم انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های حالت-مایع را داشته باشند. تراکم انرژی بالا در کنار خاصیت عدم اشتعال‌پذیری این نوع باتری‌ها، آن‌ها را برای استفاده در ماشین‌های الکتریکی ایده‌آل می‌کند.

باتری‌های حالت-جامد فومی

یکی از مهم‌ترین تکنولوژی‌هایی که انتظار می‌رود آینده باتری‌ها را رقم بزند، استفاده از بسترهای سه-بعدی‌ است. پس از سال‌ها تحقیق و آزمایش در این زمینه، برای اولین بار شرکت Prieto موفق شده است نمونه موفقی را بر این اساس تولید نماید. باتری ساخته شده توسط این شرکت --که با نام Prieto Battery نیز شناخته می‌شود-- از نوع حالت-جامد بوده و بستری از فوم مس در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته است. به بیان ساده معماری این باتری تشکیل شده است از ساختاری درهم‌تنیده و سه-بعدی از آند و کاتد، که یک لایه پلیمری بسیار نازک در نقش الکترولایت آن‌ها را از هم جدا نموده و وظیفه جابجایی ذرات باردار را به عهده دارد. استفاده از فوم مس(ساختاری متخلخل از مس) در ساخت الکترودهای این باتری، پایداری، دوام و ظرفیت بالایی را برای آن به ارمغان آورده است. به علاوه این باتری با بهره‌گیری از یک پلیمر جامد به عنوان الکترولایت، بر خلاف باتری‌های رایج امروزی اشتعال‌پذیر نبوده و عمر مفید به مراتب بالاتری دارد. همچنین با توجه به عدم استفاده از مواد سمی در ساخت آن، خطری برای محیط زیست ایجاد نمی‌نماید.

Prieto Battery

به طور کلی این نوع باتری نسبت به باتری‌های لیتیومی موجود، پنج برابر توان الکتریکی بالاتر و سه برابر تراکم انرژی بیشتری ارائه نموده، سریع‌تر شارژ شده، هزینه تولید کمتری داشته، ایمن‌تر است و می‌تواند در اندازه‌هایی کوچک‌تر ساخته شود. هدف شرکت Prieto این است که در بدو تجاری‌سازی این نوع باتری، آن را روی دستگاه‌های کوچک‌‌تر (همچون ساعت‌ها و عینک‌های هوشمند) وارد بازار نماید. اگرچه این شرکت اعلام نموده است که امکان تولید این باتری در مقیاس بزرگ‌تر را نیز داشته و در آینده نمونه‌هایی از آن برای استفاده روی گوشی‌های هوشمند و خودروهای الکتریکی تولید خواهد نمود.

باتری‌های زرده-تخم‌مرغی نانو

دانشمندان دو دانشگاه MIT و Tsinghua با استفاده از تکنولوژی نانو موفق به توسعه یک نوع باتری با طراحی تخم‌مرغ شکل گردیده‌اند که قادر است در 6 دقیقه به طور کامل شارژ شده و نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون رایج، سه برابر تراکم انرژی بیشتری را ارائه نماید. اما مهم‌ترین خصوصیت این نوع باتری، عمر طولانی و مدت زمان بالای نگهداری شارژ است. باتری‌های لیتیوم-یون در هر بار شارژ و دشارژ شدن، طی یک فرآیند انبساطی و انقباضی مقداری از لیتیوم خود را مصرف نموده، و به تدریج با کاهش محتوای لیتیوم موجود در باتری، ظرفیت آن کاهش می‌یابد. حال آن‌که معماری تخم‌مرغی این باتری جدید، مبتنی بر دو فلز دی‌اکسید تیتانیوم در نقش "پوسته" و آلومینیوم در نقش "زرده" است که قادرند فرآیند انبساط و انقباض را بدون تحلیل رفتن و افت کیفیت انجام دهند.

به گفته دانشمندان MIT، علاوه بر مزایای مختلفی از جمله عمر طولانی، ظرفیت بالا و شارژ سریع، این نوع باتری هزینه ساخت نسبتا ارزانی داشته و تولید آن در مقیاس بالا به راحتی امکان‌پذیر است. بنابراین دور از انتظار نیست که در آینده‌ای نزدیک شاهد تجاری‌سازی این باتری‌های تخم‌مرغی و به کار رفتن آن‌ها در انواع تجهیزات الکترونیکی و خودروهای الکتریکی باشیم.

باتری‌های مبتنی بر سلول سوختی

سلول سوختی به دستگاهی‌ اطلاق می‌شود که انرژی شیمیایی تولید شده توسط یک ماده سوختی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. این تبدیل معمولا از طریق واکنش شیمیایی یون‌های هیدروژن باردار شده با اکسیژن و یا یک ماده اکسیدکننده دیگر انجام می‌شود. تفاوت سلول‌های سوختی با باتری‌های معمول در این است که آن‌ها برای تامین انرژی الکتریکی، به طور مستمر نیاز به سوخت و اکسیژن دارند.

Hydrogen Fuel Cell Battery

محققین دانشگاه Pohang کره جنوبی سلول سوختی جدیدی را توسعه داده‌اند که بر اساس اطلاعات منتشر شده قادر است با یک بار شارژ شدن، یک گوشی هوشمند را با مصرفی متوسط تا حدود یک هفته تغذیه نموده و یا هواپیمایی بدون سرنشین را بیش از یک ساعت در آسمان نگاه دارد. این دانشمندان برای اولین بار در دنیا موفق به ترکیب فولاد ضدزنگ متخلخل با الکترولایت‌های فیلم-نازک و الکترودهایی با حداقل ظرفیت گرمایی شده‌اند. نتیجه این ترکیب، باتری جدیدی‌ست که آن را تحت عنوان "سلول سوختی اکسید جامد مینیاتوری" معرفی نموده‌اند. این باتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون امروزی عمر مفید و تراکم انرژی بالاتری دارد.

در حال حاضر خبر موثقی از زمان احتمالی ورود این نوع باتری به بازار در دست نیست. با این حال انتظار می‌رود که بر خلاف بسیاری از دیگر تکنولوژی‌های ساخت باتری که صرفا جنبه تحقیقاتی دارند، این باتری‌ مبتنی بر سلول سوختی دیر یا زود تجاری‌سازی گردیده و راه خود را به بازار دستگاه‌های همراه، خودروهای الکتریکی و هواپیماهای بدون سرنشین باز کند. با توجه به توسعه این باتری در کره جنوبی، خواستگاه شرکت سامسونگ و جایی که این شرکت هر ساله مبالغ بالایی را برای تحقیق و توسعه هزینه می‌کند، گمانه‌زنی‌هایی از سوی کارشناسان و رسانه‌ها در خصوص استفاده از این نوع باتری در پرچم‌دار بعدی گوشی‌های هوشمند سامسونگ انجام گرفته است. بدون شک تصور Galaxy S8 با امکان یک هفته کارکرد پس از هر بار شارژ، بسیار جذاب و باورنکردنی به نظر می‌رسد. 

نویسنده : محمد رضا جوادیان بازدید : 26 تاريخ : پنجشنبه 20 خرداد 1395 ساعت: 20:41
برچسب‌ها :

آخرین مطالب

خبرنامه

عضویت

نام کاربري :
رمز عبور :

اخبار و رسانه هاهنر و ادبیاترایانه و اینترنتعلم و فن آوریتجارت و اقتصاداندیشه و مذهبفوتو بلاگوبلاگ و وبلاگ نویسیفرهنگ و تاریخجامعه و سیاستورزشسرگرمی و طنزشخصیخانواده و زندگیسفر و توریسمفارسی زبان در دیگر کشورها