سه فناوری نوین در عرصه باتری که گوشی‌های هوشمند را متحول می‌کنند
فناوری‌های نوین باتری در حال بازتعریف آینده دستگاه‌های الکترونیکی هستند؛ از باتری‌های حالت‌جامد با ظرفیت بالا و ایمنی بیشتر گرفته تا نمونه‌های پیشرفته با آند سیلیکونی و ترکیبات گوگردی. در مقابل، برخی ایده‌ها مانند باتری‌های هسته‌ای و ابرخازن‌ها هنوز فاصله زیادی تا کارایی و مقیاس‌پذیری لازم برای کاربردهای روزمره دارند.
تبلیغات
این مطلب قصد ندارد مانند بسیاری از گزارش‌های هیجان‌زده گذشته، نوید "انقلابی بزرگ در دنیای باتری‌ها" را بدهد که قرار است به‌زودی از راه برسد. طی بیش از یک دهه گذشته بارها و بارها چنین وعده‌هایی داده شده است، اما واقعیت این است که گوشی‌های هوشمند امروزی همچنان بر پایه همان فناوری لیتیوم یون عمل می‌کنند. این فناوری از دهه ۹۰ میلادی تاکنون به‌عنوان راهکار اصلی ذخیره انرژی در دستگاه‌های همراه شناخته شده و حتی در سال ۱۹۹۶، باتری لیتیوم یونی به‌عنوان یک گزینه برای گوشی معروف Motorola StarTAC عرضه شد.
با این حال، حوزه باتری‌سازی نیز مانند بسیاری از زمینه‌های فناوری، بی‌حرکت نمانده است. پیشرفت‌های چشمگیری در حال شکل‌گیری است که نوید عرضه گوشی‌هایی با عمر باتری بسیار بالاتر از آنچه امروز می‌شناسیم را می‌دهند. این نوآوری‌ها شاید در آینده بسیار نزدیک به بازار نرسند، اما انتظار می‌رود تا پایان این دهه تأثیر محسوسی بر تجربه کاربران بگذارند. در کنار بررسی فناوری‌هایی که ممکن است تحول‌آفرین باشند، نگاهی نیز به راهکارهایی انداخته خواهد شد که احتمالاً فراتر از جنجال رسانه‌ای نخواهند رفت.
عملکرد باتری‌ها چگونه است و چه راه‌هایی برای بهبود آن وجود دارد؟
مروری کوتاه بر آموخته‌های فیزیک در دوران مدرسه
بسیاری ممکن است تجربه ساخت باتری ساده‌ای با استفاده از یک لیمو، یک تکه مس و یک قطعه روی را به خاطر داشته باشند. در این ترکیب، فلز روی نقش آند را ایفا می‌کند و الکترون‌ها را آزاد می‌سازد، در حالی که مس به‌عنوان کاتد، الکترون‌ها را دریافت می‌کند. اسید موجود در لیمو نیز به‌عنوان الکترولیت عمل کرده و مسیر جریان یون‌ها را فراهم می‌کند.
هرچند فناوری باتری‌های مدرن بسیار پیچیده‌تر و قدرتمندتر شده است، اما اصول اساسی آن همچنان تغییر نکرده‌اند. در واقع، تمامی باتری‌ها متکی بر سه جزء کلیدی هستند: آند، کاتد و الکترولیت. نوآوری‌هایی که امروزه در حال شکل‌گیری‌اند، در تلاش‌اند تا با بهینه‌سازی این اجزا، باتری‌هایی تولید کنند که نه تنها سریع‌تر شارژ می‌شوند و مدت زمان بیشتری انرژی ذخیره می‌کنند، بلکه از نظر ایمنی نیز در سطح بالاتری قرار دارند.
افزون بر این، محققان به‌دنبال یافتن راه‌حل‌هایی هستند تا تولید باتری‌ها را ساده‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و از همه مهم‌تر، مستقل‌تر از منابع کمیاب و گران‌بهایی مانند کبالت و لیتیوم کنند. چنین تغییراتی در مقیاس جهانی می‌تواند تأثیرات زیست‌محیطی تولید باتری‌ها را نیز به‌طرز چشمگیری کاهش دهد.
فناوری‌های نوظهور که احتمال دارد به‌زودی در گوشی‌ها دیده شوند
باتری‌های حالت جامد
یکی از امیدبخش‌ترین فناوری‌هایی که در سال‌های اخیر توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده، باتری‌های موسوم به حالت جامد هستند. برخلاف باتری‌های رایج لیتیوم یون که در ساختار خود از الکترولیت مایع یا ژل‌مانند استفاده می‌کنند، این دسته از باتری‌ها از الکترولیت جامد بهره می‌برند.
شرکت‌های بزرگی در سراسر جهان در حال توسعه نمونه‌های گوناگونی از این فناوری هستند. برای مثال، شرکت ژاپنی TDK و کمپانی آمریکایی QuantumScape در حال کار بر ترکیبی از آند مبتنی بر لیتیوم و الکترولیت سرامیکی اکسیدی هستند. در سوی دیگر، تویوتا و شرکت Solid Power مستقر در کلرادو نیز به توسعه نمونه‌هایی با استفاده از ترکیبات مبتنی بر سولفید مشغول‌اند. در هر دو رویکرد، هدف نهایی تولید باتری‌هایی است که علاوه بر افزایش ایمنی، چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به مدل‌های فعلی دارند و سرعت شارژ آن‌ها نیز به شکل قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.
در سال ۲۰۲۳، شرکت شیائومی گزارشی منتشر کرد که در آن با جایگزینی یک باتری معمولی ۴۵۰۰ میلی‌آمپرساعتی در گوشی Xiaomi 13 با نمونه‌ای از باتری حالت جامد، موفق به افزایش ۳۳ درصدی ظرفیت انرژی شد. باتری جدید که ۶۰۰۰ میلی‌آمپرساعت ظرفیت داشت، توانست چگالی انرژی بیش از ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر لیتر را ارائه دهد. این در حالی است که باتری‌های لیتیوم یونی معمولی، در بهترین حالت، چگالی بین ۳۰۰ تا ۷۰۰ وات‌ساعت بر لیتر دارند. برای مقایسه بهتر، حتی در میان پیشرفته‌ترین گوشی‌های اندرویدی نیز به‌ندرت ظرفیت باتری فراتر از ۵۰۰۰ میلی‌آمپرساعت می‌رود، گرچه محصولاتی مانند وان‌پلاس اوپن2 ممکن است در این زمینه تغییر ایجاد کنند.
در ژوئن سال ۲۰۲۴، شرکت ژاپنی TDK از جدیدترین فناوری باتری حالت جامد خود رونمایی کرد. این فناوری پیشرفته، چگالی انرژی‌ای در سطح نمونه‌های برتر بازار دارد و انتظار می‌رود در آینده‌ای نزدیک در دستگاه‌های کوچک و قابل‌حمل مانند هدفون‌های بی‌سیم، دستبندهای هوشمند و ساعت‌های دیجیتال مورد استفاده قرار گیرد. این نوع باتری‌ها، به دلیل طراحی خاص و ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی، گزینه‌ای بسیار مناسب برای محصولات سبک و کم‌حجم محسوب می‌شوند.
در همین حال، تولید باتری‌های حالت جامد برای استفاده در خودروهای برقی نیز از اوایل سال ۲۰۲۴ آغاز شده است. شرکت تایوانی ProLogium پیشتاز این حوزه به شمار می‌رود و برندهای مطرحی مانند تویوتا و سامسونگ SDI نیز برنامه‌هایی جدی برای ورود به مرحله تولید انبوه در سال ۲۰۲۷ دارند. این اقدامات نشان می‌دهد که فناوری باتری حالت جامد از مرحله آزمایشگاهی عبور کرده و به‌تدریج در حال ورود به بازار مصرف است.
با این وجود، این نوع باتری‌ها هنوز با موانع قابل‌توجهی روبه‌رو هستند. برای مثال، استفاده از الکترولیت‌های سرامیکی اکسیدی باعث می‌شود ساخت سلول‌های باتری بسیار دشوار و پرهزینه باشد. پیچیدگی فرایند تولید، قیمت نهایی محصول را به‌حدی افزایش می‌دهد که استفاده از آن در محصولات پرتیراژ و عمومی عملاً غیراقتصادی به‌نظر می‌رسد.
از سوی دیگر، برخی تولیدکنندگان به سراغ الکترولیت‌های مبتنی بر سولفید رفته‌اند که از نظر هزینه تولید اقتصادی‌تر هستند. اما این ترکیب نیز مشکلات خاص خود را دارد. به‌طور مشخص، احتمال رشد ساختارهایی به‌نام دندریت در درون سلول‌های باتری وجود دارد. این رشدهای لیتیومی می‌توانند به سوراخ شدن جداکننده‌ها منجر شوند و در نهایت، باتری را با خطر انفجار یا از کار افتادگی کامل مواجه کنند. با این حال، تحلیل‌ها و پیش‌بینی‌های فنی حاکی از آن است که باتری‌های حالت جامد تا پیش از پایان این دهه در محصولات قابل خرید برای مصرف‌کنندگان عرضه خواهند شد.
تحولی در طراحی آند با استفاده از سیلیکون
نوعی دیگر از نوآوری در زمینه باتری، مربوط به جایگزینی آند سنتی در باتری‌های لیتیوم یون است. در این فناوری، به‌جای استفاده از کربن یا گرافیت که به‌طور معمول در ساخت آند به‌کار می‌رود، از سیلیکون استفاده می‌شود. از لحاظ نظری، این تغییر می‌تواند منجر به افزایش چشمگیر چگالی انرژی شود، به‌طوری که برخی برآوردها، افزایش تا ده برابر نسبت به آندهای گرافیتی را امکان‌پذیر می‌دانند.
با این حال، استفاده از آند سیلیکونی به شکل خالص، چالش‌های فنی خاصی به‌همراه دارد. سیلیکون در هنگام شارژ شدن و جذب الکترون‌ها به‌طور قابل‌توجهی منبسط می‌شود. این انبساط مکرر در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه می‌تواند ساختار باتری را دچار آسیب کند و موجب کاهش دوام آن شود. بنابراین، شرکت‌هایی که در حال کار بر روی این فناوری هستند، به‌دنبال یافتن نقطه تعادلی هستند؛ یعنی ترکیبی بهینه که در آن مقدار مشخصی سیلیکون با مواد دیگر ترکیب شود تا هم عملکرد باتری بهبود یابد و هم طول عمر آن حفظ شود.
برخی تولیدکنندگان بزرگ، استفاده از این فناوری را آغاز کرده‌اند. شرکت هواوی در گوشی تاشوی Huawei Mate X5 از باتری‌ای با ظرفیت ۵۰۶۰ میلی‌آمپرساعت بهره گرفته که از آند سیلیکونی در ساختار خود استفاده می‌کند. همچنین شرکت آنر، نوعی باتری ترکیبی سیلیکون-کربن را در برخی از محصولات خود به‌کار گرفته است و اعلام کرده که در مدل Honor Magic5 Pro موفق شده ظرفیت باتری را تا حدود ۱۲.۸ درصد افزایش دهد.
باتری‌های لیتیوم سولفور؛ ترکیبی ارزان‌تر، سبزتر و سبک‌تر
یکی از نگرانی‌های عمده در صنعت باتری‌سازی به منابع اولیه مورد نیاز برای ساخت باتری‌های لیتیوم یون مربوط می‌شود. به‌عنوان مثال، گرافیت مرغوب مورد استفاده در آندها به‌سختی در طبیعت یافت می‌شود و استخراج کبالت، یکی از فلزات کلیدی در باتری‌های کنونی، با مسائل اخلاقی، انسانی و زیست‌محیطی متعددی همراه است. در این میان، باتری‌های لیتیوم سولفور به‌عنوان گزینه‌ای جایگزین مطرح شده‌اند که نه‌تنها وابستگی به این مواد را از میان می‌برند، بلکه به دلیل ساده‌تر بودن ترکیبات، پتانسیل کاهش قیمت تمام‌شده و تأثیر منفی کمتر بر محیط زیست را نیز دارند.
افزون بر آن، این باتری‌ها چگالی انرژی بالاتری ارائه می‌دهند و به‌دلیل وزن کمتر، به‌ویژه برای کاربردهایی نظیر هواپیماهای بدون سرنشین، خودروهای الکتریکی و گجت‌های قابل‌حمل، بسیار مناسب به‌نظر می‌رسند.
با این حال، یکی از مشکلات اصلی این فناوری تا کنون، عمر پایین آن بوده است. این ضعف عمدتاً به دلیل تخریب سریع کاتدهای سولفوری در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه رخ می‌داده است. با این حال، شرکت آمریکایی Zeta Energy اعلام کرده که موفق به توسعه نوعی باتری لیتیوم سولفور شده است که می‌تواند تا ۲۰۰۰ چرخه شارژ و تخلیه را بدون افت عملکرد تحمل کند. بر اساس برنامه‌ریزی این شرکت، نخستین سری از باتری‌های لیتیوم سولفور در سال جاری به مرحله تولید خواهد رسید و به‌زودی وارد بازار خواهد شد.
دو فناوری نوظهور که نباید انتظار زیادی از آن‌ها داشت
باتری‌های هسته‌ای با ساختار الماسی؛ نوید آینده یا رؤیایی دور از دسترس؟
در آغاز سال ۲۰۲۴، شرکت چینی Betavolt اعلام کرد که موفق به توسعه نوعی باتری هسته‌ای شده است که عمر مفیدی معادل پنجاه سال دارد. این باتری بسیار کوچک بوده و ابعادی در حد یک سکه دارد. توان تولیدی این باتری تنها ۰.۱ وات عنوان شده است. مدتی بعد، شرکت آمریکایی Infinity Power نیز با معرفی نمونه‌ای دیگر از این دسته باتری‌ها که دوام آن به صد سال می‌رسد، توجه بسیاری از رسانه‌ها را به خود جلب کرد. هرچند توان خروجی آن از نمونه چینی نیز کمتر بود. این باتری‌ها که به نام باتری‌های اتمی یا باتری‌های الماسی هسته‌ای شناخته می‌شوند، انرژی خود را از تجزیه رادیواکتیو عناصر گرفته و با استفاده از لایه‌هایی بسیار نازک از الماس، آن را به جریان الکتریسیته تبدیل می‌کنند.
در نگاه نخست، تصور وجود تلفن‌همراهی که هیچ‌گاه نیاز به شارژ مجدد ندارد بسیار هیجان‌انگیز است. با این حال، این تصور با واقعیت‌های فنی فاصله زیادی دارد. برای مثال، حتی ساده‌ترین فعالیت‌ها مانند ثبت یک تصویر دیجیتال یا روشن کردن صفحه‌نمایش برای چند دقیقه، به میزان چندین وات انرژی نیاز دارند که به‌هیچ عنوان توسط چنین باتری‌هایی تأمین نمی‌شود. شاید در تئوری بتوان تعداد زیادی از این باتری‌ها را کنار هم قرار داد تا توان لازم را فراهم کرد، اما در عمل، هزینه چنین کاری بسیار بالا خواهد بود. برای درک بهتر، کافی‌ست بدانیم که قیمت پایه یک باتری هسته‌ای مبتنی بر ایزوتوپ تریتیوم چیزی در حدود پنج هزار و دویست و پنجاه دلار است. با توجه به این واقعیت، می‌توان نتیجه گرفت که حداقل در آینده‌ای قابل پیش‌بینی، استفاده از این فناوری در دستگاه‌های مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند امکان‌پذیر نخواهد بود.
ابرخازن‌ها؛ مناسب برای برخی کاربردها، نه جایگزینی برای باتری گوشی‌ها
یکی از فناوری‌هایی که گهگاه به‌عنوان جایگزینی برای باتری‌های معمولی معرفی می‌شود، ابرخازن‌ها هستند. این ابزارهای ذخیره‌سازی انرژی در برخی زمینه‌ها عملکردی بسیار سریع و قابل‌اعتماد دارند. به‌عنوان نمونه، شرکت سامسونگ در قلم هوشمند گوشی گلکسی نوت ۱۰ از ابرخازن استفاده کرده است. برخلاف باتری‌های لیتیوم یون، ابرخازن‌ها در برابر نگه‌داشتن شارژ کامل برای مدت طولانی مقاوم بوده و دچار افت کیفیت نمی‌شوند. همچنین، عمر مفید آن‌ها به‌مراتب بالاتر است.
توانایی منحصر‌به‌فرد ابرخازن‌ها در شارژ و تخلیه سریع انرژی باعث شده تا از آن‌ها در خودروهای برقی برای بازیابی انرژی حاصل از ترمزگیری استفاده شود. این ویژگی باعث شده برخی گمانه‌زنی کنند که ممکن است روزی شاهد گوشی‌هایی باشیم که تنها در چند ثانیه به‌طور کامل شارژ می‌شوند. با این حال، مسئله مهمی وجود دارد که مانع تحقق این رؤیاست. ابرخازن‌ها توان ذخیره‌سازی انرژی بسیار کمتری نسبت به ساده‌ترین باتری‌های قابل شارژ دارند. به‌عبارتی، توان بالای شارژ و تخلیه، بهای خود را در قالب ظرفیت پایین پرداخت می‌کند. در نتیجه، فعلاً هیچ نشانه‌ای از اینکه ابرخازن‌ها بتوانند به‌عنوان جایگزینی جدی برای باتری‌های گوشی‌های هوشمند مطرح شوند، دیده نمی‌شود و پیش‌بینی‌ها نیز از تداوم این وضعیت در آینده حکایت دارد.
دورانی هیجان‌انگیز برای علاقه‌مندان به دنیای باتری‌ها
وقتی باتری‌های لیتیوم یون برای نخستین بار وارد بازار شدند، انقلابی در صنعت ذخیره انرژی به‌وجود آوردند. این فناوری، بستر رشد بسیاری از نوآوری‌های دیجیتال را فراهم کرد و به‌نوعی زیربنای بسیاری از ابزارهای الکترونیکی امروزی به‌شمار می‌رود. با گذر زمان، این باتری‌ها به حداکثر ظرفیت عملکردی خود نزدیک شده‌اند و اکنون چشم‌اندازهای تازه‌ای برای جایگزینی آن‌ها در حال شکل‌گیری است.
هر یک از فناوری‌های نوظهور که در آینده بتواند جایگاه باتری‌های لیتیوم یون را تصاحب کند، بدون شک قابلیت‌هایی فراتر از آنچه امروز در اختیار داریم به کاربران ارائه خواهد داد. عمر باتری بیشتر، سرعت شارژ بالا و طراحی‌های نوآورانه، تنها بخشی از دستاوردهایی خواهد بود که به کمک این فناوری‌ها تحقق خواهد یافت.
در نهایت، می‌توان با اطمینان گفت که جهانی بدون اضطراب ناشی از تمام شدن شارژ باتری، جهانی آرام‌تر، کارآمدتر و هوشمندتر خواهد بود.
