باتری موبایل، قلب خودروهای آینده

مهم‌ترین معضل استفاده از خودروهای الکتریکی، باتری‌هایی است که پس از دویست سال، تنها در دو دهه اخیر شاهد پیشرفت قابل ملاحظه‌ای بوده است.

محبوبه عمیدی: شهری را با خودرو‌های برقی آرام و بی‌صدا تصور کنید که در آن خبری از وسایل نقلیه بنزینی، دیزلی و آلودگی صوتی نیست و تنها صدایی که آرامش خیابان‌های شهر را به‌ هم می‌زند، صدای سم اسب‌هایی است که ترامواهای پر از مسافر را در مرکز شهر جابجا می‌کنند.

درست حدس زدید، ما داریم از گذشته حرف می‌زنیم. از روزهای اوج خودرو‌های برقی که با رسیدن سال 1912/ 1291 و ورود کادیلاک‌های بنزین‌سوز هندلی به خیابان‌های شهر نیویورک به پایان رسید. گرچه استفاده از هندل و زور بازو برای استارت کادیلاک‌ها، اصلا کار ساده‌ای نبود؛ اما این خودرو می‌توانست 160 کیلومتر را با یک باک بنزین طی کند، در حالی‌که تمام خودرو‌های برقی پیش از رسیدن به حومه شهر متوقف می‌شدند.

به‌نظر می‌رسد در دهه اول قرن بیست و یکم، تاریخ دارد برمی‌گردد. بحران آب‌وهوایی، ذهن‌ها را به سمت اقتصادی کاملا الکتریکی سوق داده که خودرو‌های برقی هم خواه ناخواه سهمی حیاتی از آن خواهند داشت. این ایده مدت‌هاست که در آزمایشگاههای مهندسی و جاده‌ها شکل‌ گرفته است و عقیده به این‌که «وابستگی ما به نفت خطرناک و کوتهبینانه است»، انگیزه کافی را برای در اولویت قرار دادن آن ایجاد کرده است.

پروفسور استیفن چو، برنده جایزه نوبل فیزیک و وزیر انرژی آمریکا در این‌باره می‌گوید: «ما باید به سمت حمل و نقل الکتریکی حرکت کنیم و قادر به تأمین انرژی مورد نیاز آن با استفاده از منابعی پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد باشیم».

دونالد سادووی که در مؤسسه فناوری ماساچوست، ام.آی.تی به تحقیق در شیمی مواد مشغول است، می‌گوید: «ما در این راه با مانع بزرگی مواجه هستیم، همه چیز به عدم تولید انرژی کافی توسط باتری‌ها برمی‌گردد، همان مانعی که 100 سال پیش هم باعث حذف خودرو‌های برقی از چرخه حمل‌ونقل شد».

بیش از 200 سال از ساخت اولین باتری‌ها می‌گذرد، اما تاکنون تحقیقات بسیار‌اندکی برای بهبود کارایی آنها انجام شده است. این روند باید شتاب بگیرد. برای این منظور ایالات متحده مبلغ 2 میلیارد دلار برای تحقیق در روش‌های تولید باتری‌های پیشرفته و 400 میلیون دلار برای الکتریکی کردن صنعت حمل‌ونقل این کشور پیش‌بینی کرده است. ترکیبی از کامپیوترهای پیشرفته، اندیشه‌های نو و بودجه کافی می‌تواند دنیای حمل‌ونقل را دگرگون کند. سادووی می‌گوید: «ما برای این تغییر عزممان را جزم کرده‌ایم».

با این حال تغییر دارد با سال‌ها تأخیر انجام می‌شود. باتری‌های سربی-اسیدی هنوز هم در خودرو‌های با سوخت فسیلی استفاده می‌شوند. این باتری از سال 1859/ 1238 که توسط گستون پلانت، فیزیکدان فرانسوی اختراع شد، تاکنون بدون تغییر باقی‌مانده است. این باتری‌ها هم مانند انواع دیگرشان از دو الکترود فلزی متفاوت تشکیل شده‌اند که توسط الکترولیت مایع یا جامدی از یکدیگر جدا شده و توسط آن، یون‌ها را مبادله می‌کنند؛ با این تفاوت که در مقابل مقدار انرژی که ذخیره می‌کنند، بسیار سنگینند و فضای زیادی را اشغال می‌کنند. پیل‌ نیکل-کادمیم که در سال 1899/ 1242 اختراع شد، انرژی بیشتری را در ابعاد مساوی نسبت به این باتری‌ها ذخیره می‌کند و حتی باتری ترکیب نیکل و هیبرید‌فلزی که در سال 1989/ 1368 معرفی شد، با همین ابعاد تا 3 برابر بیشتر قادر به ذخیره انرژی است.

مسئله وزن
یکی از مهم‌ترین نکاتی که باید درنظر گرفت، سنگینی باتری‌ها است. در این زمینه شرکت سونی با استفاده از فناوری باتری‌های یون لیتیوم در دوربین‌های دیجیتال عکاسی، گام بلندی برداشته است. از آنجا که لیتیوم سبکترین فلز شناخته شده است، به‌سادگی می‌توان تفاوت وزنی باتری این فلز را با باتری سربی- اسیدی حدس زد. باتری‌های یون لیتیوم از سه ورقه نازک تشکیل شده‌اند: دو الکترود که یکی از جنس گرافیت و دیگری یک اکسید فلزی است، همراه با جداکننده‌ای که مانع تماس مستقیم الکترودها با یکدیگر و ایجاد اتصال کوتاه می‌شود. الکترولیت مورد استفاده در این باتری نیز نمک لیتیوم با فرمول LiPF6 ، محلول در حلالی آلی با ترکیبی از کربنات اتیلن و کربنات دی‌متیل است که خواص الکتروشیمیایی خاصی دارد.

این باتری، بالاترین کارایی را در میان انواع باتری‌های مشابه دارد که ترکیبی از ذخیره بالای انرژی، طول عمر زیاد و توان خوب شارژ و تخلیه است. به همین دلیل از سال 1991/ 1370 تاکنون بالاترین تقاضا را برای استفاده در تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها داشته است. علاوه بر این، این باتری اولین انتخاب صنعت حمل‌ونقل هم هست، البته توان لازم برای به حرکت درآوردن خودرو‌ها و شتاب دادن به آنها بدون انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی، مجموعه جدیدی از مسایل را برای محققان به همراه خواهد داشت.

در دو دهه گذشته فناوری باتری‌های یون لیتیوم پیشرفت‌های خوبی داشته است. میزان انرژی ذخیره شده در ابعاد ثابت، دوبرابر شده و محققان امیدوارند طی 10 سال آینده، این میزان باز هم سهبرابر افزایش یابد. از طرف دیگر فشردگی قطعات داخلی این باتری‌ها و گرمایی که هنگام شارژ و تخلیه باتری تولید خواهد شد، مشکل بالقوه‌ای است که باید حل شود. نفوذ ذرات فلزی از میان جداره جدا‌کننده هم که می‌تواند به اتصال کوتاه و آتش‌گرفتن باتری منجر شود، مسئله‌ای نیست که بشود به سادگی از آن گذشت.

علاوه بر اینها قیمت نهایی باتری هم باید مورد توجه قرار گیرد. باتری یک خودرو برقی با برد حداقل 220 کیلومتر و قیمت 25000 دلار / 25 میلیون تومان، برای هر کیلوواتساعت ظرفیت نباید بیش از 100 دلار/ 100هزار تومان هزینه داشته باشد، این با قیمت فعلی باتری‌های یون لیتیوم جور در نمی‌آید. تحقیقی انجام شده که نشان می‌دهد، سهم لیتیوم از قیمت باتری تنها 3 درصد است؛ بنابراین می‌توان راهکارهای متعدی برای بهبود تکنیک‌های ساخت و در نتیجه کاهش قیمت باتری اتخاذ کرد.

به نظر می‌رسد صنعت خودرو‌سازی با باتری‌های لیتیوم عجین‌ شده باشد. مارک وربروگ، مدیر تحقیقات مواد جنرال‌موتورز می‌گوید: «وسایل نقلیه تنها با باتری‌های لیتیوم کار خواهند کرد، به همین دلیل تولیدات اولیه بسیار‌گران‌قیمت خواهند بود و جلب اعتماد مشتریان بخش بسیار‌مهمی از این معادله را تشکیل خواهد داد».

سادووی به راه‌های دیگری فکر می‌کند. او معتقد است می‌شود با تغییر ترکیب شیمیایی باتری‌ها، هزینه کمتری را متحمل شد و به کارآیی بهتری دست یافت. در این تغییر باید به ترکیب مناسبی برای الکترودها و الکترولیت از میان تمام عناصر جدول تناوبی دست یافت. بیشتر شبیه حدس‌زدن ترکیب داروی مؤثر برای یک بیماری مشخص می‌ماند. اما کارخانه‌های خودروسازی پیشنهاد خوبی دارند. آنها علم شیمی را با شبیهسازی کامپیوتری و مکانیک کوانتوم تلفیق خواهند کرد، تا با استفاده از فناوری روز و معادله شرودینگر - معادله‌ای که چگونگی رفتار الکترونها، پروتونها و نوترونها را در دنیای ریزمقیاس بیان می‌کند- خیلی سریع‌تر از سادووی به جواب برسند.

فروردین‌ماه گذشته، جربراند سدر، متخصص مواد در ام.آی.تی، دنیا را با نشان‌دادن اینکه، چگونه انتخاب صحیح جفت الکترودها - محاسبه شده توسط مدل کامپیوتری- می‌تواند تعیین‌کننده باشد، حیرت‌زده کرد. طبق محاسبات شدت بارگیری برای باتری‌های لیتیوم که کاتدی از جنس فسفات‌آهن‌لیتیوم داشتند، تا صد‌برابر افزایش پیدا می‌کرد. گرچه توان این باتری هم برای استفاده در خودرو‌ها بسیار پایین است، حداقل محاسبات کامپیوتری را قابل‌اعتماد نشان می‌دهد.

سادووی در تلاش است تا با تغییر کاتد باتری از اکسید‌کبالت به سایر اکسیدهای فلزی به نتایج قابل قبولی برسد. یکی از این گزینه‌ها کروم است، که دارای شش الکترون آزاد در برابر 3 الکترون آزاد کبالت می‌باشد. شاید بتوان با این تغییر کوچک ظرفیت باتری را با کمترین هزینه دوبرابر کرد.

الکترود پیشنهادی: هوا
پیتر بروس که در مورد سیستمهای ذخیره انرژی در دانشگاه سنت‌اندروز انگلستان تحقیق می‌کند، عضو گروهی است که روی الکترود هوا کار می‌کنند. در این روش، آنود باتری لیتیوم به جای اکسید‌کبالت از قطعه کربنی بسیار متخلخل ساخته می‌شود. اکسیژن هوایی که این خلل و فرج را پر می‌کند، می‌تواند با یون‌های لیتیوم که به سطح الکترود آمده‌اند، ترکیب شود. نتیجه این فرآیند، ساخت باتری لیتیومی بسیار‌سبک‌تری از نمونه‌های فعلی است که چگالی انرژی آن حدود 8 تا 10 برابر بیشتر است.

استفاده از نانومهندسی درالکترودها هم مانند الکترود هوا روشی زمان‌بر است. همان‌طور که از نام این روش برمی‌آید، در آن با سطح اتم‌ها سر و کار داریم که به نحو مؤثری به بهبود کارایی باتری منتج خواهد شد. رالف براد، مشاور فناوری باتری‌سازی در منطقه نوادا می‌گوید: «سهم نود و هشت درصدی باتری‌های یون لیتیوم از تمام تلاش‌ها و حمایت‌های مالی، ما را به سرعت به خودرو‌های برقی با هزینه منطقی انرژی مصرفی نزدیک خواهد کرد و فصل تازه‌ای را برای این صنعت رقم خواهد‌ زد».

باتری کاغذی!

پژوهشگران موفق شده‌اند با استفاده از سلولز موجود در خزه‌های دریایی، باتری الکتروشیمیایی انعطاف‌پذیری ساخته که همانند کاغذ، بسیار نازک است. این منبع انرژی می‌تواند ابعاد ابزارهای الکترونیکی همراه را به شدت کاهش دهد.

مجید جویا: باوجود آن‌که بیش از دو قرن است باتری‌های الکتروشیمیایی اختراع شده‌اند، اما تا همین اواخر، پیشرفت چندانی در این حوزه انجام نشده بود. با ورود ابزارهای همراه دیجیتالی، فناوری جدید باتری‌های یون هلیوم توانست این صنعت قدیمی را تکان دهد. به تازگی نیز مهندسان موفق شده‌اند یکی از دیرینه‌ترین آرزوهای دنیای باتری را جامه عمل بپوشانند.

شکل سخت و نسبتا دست‌وپا گیر باتری‌های الکتروشیمیایی همیشه مانعی بزرگ در طراحی و کاهش وزن ابزارها بود و از این‌رو، خیلی از مهندسین رویای ساختن یک باتری را که مثل کاغذ، سبک و نازک و انعطاف‌پذیر باشد، در ذهن خود پرورده‌اند. یک چنین اختراعی به طرز چشمگیری وزن و ابعاد هر چیزی را که از آن نیرو می‌گیرد، کاهش خواهد داد.

اما به گزارش اکونومیست، خوشبختانه به‌نظر می‌رسد آلبرت مهرانیان از دانشگاه آپسالای سوئد و همکارانش این آرزو را جامه عمل پوشانیده‌اند. آنها یک باتری ساخته‌اند که در اصل از کاغذ ساخته شده و با وزن پایین و ضخامت بسیار کم، هرچند هنوز برای استفاده همگانی مناسب نیست، می‌تواند برای ردیابی محصولاتی که به فروشگاه‌ها می‌روند و یا چمدان‌های مسافرین در فرودگاه‌ها استفاده شود.

باتری‌های الکتروشیمیایی دارای دو الکترود (آند و کاتد) درون مایعی رسانا (الکترولیت) هستند. توانایی این دو الکترود در آزاد کردن و جذب الکترون متفاوت است و همین، سبب می‌شود الکترون‌ها از مایع الکترولیت عبور کنند و جریان الکتریکی ایجاد کنند.

یک باتری یون لیتیوم که از همان نوعی است که در تلفن‌های همراه و کامپیوتر‌های لپ‌تاپ استفاده می‌شود، معمولا از یک آند از جنس کربن، یک کاتد از اکسید کبالت لیتیوم و یک الکترولیت از نوعی نمک لیتیوم موجود درون حلالی آلی تشکیل شده است. زمانی که باتری در حال شارژ باشد، الکترون‌ها در کاتد پمپ می‌شوند که این امر، یون‌های لیتیوم را مجبور می‌کند از جای قبلی خود به سمت آند حرکت کنند. زمانی که در حال استفاده از باتری باشیم، جریان برق ایجاد شده، یون‌های لیتیوم را از آند خارج می‌کند و به کاتد بر می‌گرداند.

اما وسیله‌ای که دکتر میهرانیان و همکارانش ساخته‌اند، بر مبنای سلولز ساخته شده، همان ماده‌ای که کاغذ را از آن می سازند؛ ولی ماده جدیدی نه از درختان یا پنبه، که از سلولز موجود در خزه دریایی استفاده شده است. این سلولز فیبرهای نازک‌تری دارد که با افزایش سطح آن، اجازه می‌دهد که مقدار بار الکتریکی بیشتری را در خود ذخیره کند.

ولی سلولز رسانای الکتریسیته نیست! از این رو دکتر میهرانیان چاره‌ای نداشت جز اینکه آن را با یک ماده رسانا بپوشاند. او پلیمری را به نام پلی‌پیرول انتخاب کرد که وقتی در سلولز خزه‌ای غوطه‌ور شد، جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می‌کرد. او سپس آند و کاتد باتری‌اش را از این مواد ساخت و برای الکترولیت هم از یک کاغذ صافی که در آب نمک خیسانده شده بود، استفاده کرد.

بنابراین باتری تشکیل شده بود از یک کاغذ صافی خیسانده درآب نمک، که بین دو الکترود سلولزی ساندویچ شده بود، البته این الکترودها نیز به طور همراستا بین دو اسلاید شیشه ای نگه داشته شده بودند. و در نهایت برای امکان‌پذیر ساختن اتصال الکتریکی با دنیای خارج، نوارهایی پلاتینی به الکترودها متصل کردند. خود انرژی الکتریکی نیز توسط تغییرات شیمیایی در پلی‌پیرول ذخیره و آزاد می‌گشت.

این مولکول می‌تواند در دو فرم وجود داشته باشد که از نظر تکنیکی به دو صورت «اکسید شده» و «احیا شده» شناخته شده است؛ و در صورتی که آنها بخشی از یک مدار باشند، جریان الکتریکی بین این دو شارش می‌کند. حاصل امر یک باتری یک ولتی بود که می توانست در چند ثانیه شارژ شود و بدون هیچ کاهش جدی در کارایی آن، بیش از صد بار پر و خالی شود.

دکتر مهرانیان در حال حاضر به دنبال تجاری کردن این فناوری است. بازدهی باتری‌های خزه‌ای حدود یک سوم بازده انواع باتری‌های یون لیتیوم است و از این‌رو، نمی‌توان آنها را جایگزین باتری‌های لیتیومی کرد؛ ولی با این وجود می‌توان برای کاربردهای کوچک از آنها سود جست. این کاربردها می‌تواند شامل برچسب‌های چمدانی باشد که رادیوهای کوچکی در خود دارند و موقعیت مکانی خود را به مسئولین حمل و نقل چمدان‌ها اطلاع می‌دهند. لوازم «هوشمند» بسته‌بندی مانند بسته‌های مواد غذایی که نمایشگرهای الکترونیکی در خود دارند نیز یک احتمال دیگر است.

به علاوه، دیگر پژوهشگران نیز به تازگی ترانزیستورهای پایه کاغذی تولید کرده‌اند. باتری ساخته شده توسط دکتر مهرانیان می‌تواند انرژی مورد نیاز برای لوازم الکترونیکی را که بر مبنای این ترانزیستورها ساخته‌شده‌اند، تامین کند. این نوآوری‌ها مثال نقضی بر این نظریه خواهند بود که حذف کاغذ از ادارات با پیشرفت فناوری اجتناب‌ناپذیر است.