باتری ها و پیشرفت های صورت گرفته برای افزایش عمر آنها

در سال 2009 میلادی که اپل طراحی مک بوک را تغییر داد، همزمان، باتری تازه ای را معرفی کرد که عمرش 40 درصد بیشتر از نسخه قبلی بود.

در واقع عمر باتری آن مک بوک به هفت ساعت رسیده بود که برای مشاهده حداقل دو فیلم کفایت می کرد. فیل شیلر، مدیر بازاریابی این شرکت در ادامه باتری مک بوک جدید را «انقلابی» خواند. اما آیا واقعا همینطور بود؟

پیشرفت های صورت گرفته در حوزه تکنولوژی آن هم ظرف دو دهه اخیر فوق العاده بوده اند. در این مدت، کامپیوترها از جعبه هایی سودمند به اشیاء چهار ضلعی باریکی بدل شدند که بدنه ای از جنس فلز و شیشه دارند و در داخل جیب هم جای می گیرند. این روزها، توان پردازشی ساعت های هوشمند از فضاپیمای آپولو هم بیشتر است. اما باتری ها داستان دیگری دارند.

در ادامه این مطلب با دیجیاتو همراه باشید.

تولید کنندگان دستگاه های الکترونیکی مصرفی، از اپل گرفته تا سامسونگ، تحقیقاتی چند میلیون دلاری را در دست انجام دارند تا در صورت امکان، به عمر باتری ها بیافزایند، با این همه، انتظار نمی رود که ظرف چند سال آتی پیشرفت زیادی در این دستگاه ها حاصل شود. اما این مساله، به هیچ وجه جریان فزاینده عرضه دستگاه های مبتنی بر باتری را تحت تاثیر خود قرار نمی دهد.

اینکه چرا باتری ها هنوز هم پیشرفت قابل توجهی را به خود ندیده اند مساله ایست که ذهن بسیاری را به خود جلب نموده و جالب است بدانید که بسیاری از دانشمندان مدعی اند که دیگر به انتها و محدوده پیشرفت علم در این زمینه رسیده اند. در هر حال، علت هر چه که باشد، ما به عنوان مصرف کننده، حق داریم که بیشترین بهره را از عمر باتری هایمان ببریم.

دو مسیر انقلابی

برای آنکه درک بهتری از روند فعلی پیشرفت باتری ها داشته باشیم، بهتر است نگاهی به گذشته و نقطه شروع ساخت این ابزارها، موقعیت کنونی شان و چالش های پیش روی بیاندازیم.

مایکل سینکولا از شرکت Envia Systems (یک استارتاپ پیشرفته که در کالیفرنیا مستقر است و در زمینه ساخت باتری فعالیت می می کند) در سال 1995 میلادی اعلام کرد که انرژی ذخیره شده در باتری ها تا بیش از یک دهه آتی (یعنی سال 2007 میلادی) دو برابر نمی شود. از آن زمان تاکنون این انرژی حتی سی درصد هم افزایش نداشته است و باز هم شرکت Envia باور دارد که تا سال 2021 نیز این میزان دوبرابر نمی شود.

حالا اما عمر باتری یک لپ تاپ معمولی حدودا 10 ساعت است و از مقدار چهار ساعتی که در زمان تصدی پست ریاست جمهوری آمریکا توسط باراک اوباما به ثبت رسید به مراتب بیشتر است. چطور چنین چیزی امکان دارد؟

پیشرفت های حوزه فناوری عموما از دو عامل مجزا سرچشمه می گیرند: تمایل بی حد و مرز برای کوچک کردن ابعاد هر چیز و بهبود روز افزون نرم افزاری برای مدیریت کردن این مساله.

مغزهای یک کامپیوتر در واقع همان میکروپردازنده هایش هستند؛ همان چیپ هایی که محاسبات دشوار برای ترسیم عکس را انجام می دهند و به فیسبوک کمک می کنند که روز تولد دوستتان را به یاد بیاورد.

چندین دهه هست که صنعت تلاش دارد ابعاد پردازنده ها را کاهش دهد و هر چه این تراشه ها کوچک تر می شوند، میزان مصرف انرژی شان نیز کمتر می گردد و عمر کلی باتری ها نیز بهبود می یابد.

باتری ها اما فرق دارند. اینها در واقع مجمموعه ای از فلزات و مواد شیمیایی هستند که وقتی به هم متصل می شوند، الکتریسیته در آنها جریان می یابد. مشکلی که در مورد شیمی وجود دارد این است که کوچک شدن، همواره باعث بهتر شدنش نمی شود. آن را همچون نوشابه در نظر بگیرید. اگر میزان کمتری نوشابه را درون لیوان خود بریزید، صرفا از حجم و اندازه اش کم کرده اید و اتفاق دیگری رخ نخواهد داد.

تا به امروز، پیشرفت های قابل توجه در زمینه باتری از کاربرد مواد جدید در ساخت آنها ناشی شده و عمر باتری های مصرفی از زمانی شروع به بیشتر شدن کرد که به جای نیکل (نوعی فلز مورد استفاده در آنها) از لیتیوم بهره بردند.

جان گوداناف یکی از دانشمندان و پژوهشگران سرشناس در توسعه باتری های مدرن در این باره می گوید: تحقیقاتی که حالا انجام می شوند عموما به بهبود عملکرد باتری های لیتیومی مربوط می شوند. او می گوید: جدول تناوبی محدود است و رسیدن به هرگونه پیشرفت با استفاده از عناصر این جدول نیز مرتبا دشوارتر می گردد.

البته از زمانی که گود اناف در سال 1979 میلادی از کشف های قابل توجهش در زمینه ساخت باتری خبر داد تا به امروز، افراد بیشتری تلاش دارند تا مشکلات مربوط به این حوزه را حل و فصل کنند، با این همه، دانشمندان تقریبا هر ماده ای را مورد بررسی قرار داده اند و از نظر مواد اولیه برای بهبود عملکرد باتری ها با مشکل روبرو هستند.

موبایلی که به جای یک روز، یک هفته دوام بیاورد، نیازمند تکنولوژی جدید و بسیار پیشرفته ایست که هنوز ارائه نشده. گود اناف معتقد است که استراتژی مورد نیاز برای گام بعدی، هنوز هم تدوین نشده است.

مسیر منتهی به لیتیوم

تاریخچه باتری های مدرن به قرن 18 میلادی باز می گردد یعنی زمانی که دانشمندان با وارد کردن یک میله فلزی به داخل ظرفی از آب نمک که با فویل نیز پوشانده شده بود، سعی کردن الکتریسیته ساکن را مهار کنند. کافی بود سمتی از ظرف را با یک دست و سمتی از میله را نیز با دست دیگر خود لمس کنند تا کار انجام شود.

هنری شلزینگر در کتاب خود تحت عنوان: «باتری: چطور انرژی قابل حمل یک انقلاب تکنولوژیکی را رقم زد» به توصیف دانشمندانی می پردازد که با چنین دستگاه هایی کار کردند. یکی از پیشتازان این حوزه شاعری به نام Percy Bysshe Shelley بود. او در دوران جوانی خود با کمک خواهرش آزمایشاتی را در این زمینه انجام داد و حتی الهام بخش همسرش ماری شد که از الکتریسیته در طرح رمان خود با نام فرنکشتاین بهره گرفت.

اندکی قبل از آنکه مردم رمان ماری را بخوانند، الساندرو ولتا نخستین باتری پرکاربرد دنیا را که پیل ولتایی خوانده می شد ابداع کرد. او برای این منظور صفحاتی از روی و مس را که از طریق یک تکه پارچه از هم جدا شده بودند روی یکدیگر قرار داد و آنها را درون آب نمک گذاشت.

امروزه، تغییر چندانی در ساختار باتری ها اعمال نشده است. کافیست یکی از آنها را به دو نیم تقسیم نمایید تا ماده ای ساخته شده از فلز نظیر لیتیوم را در آنها ببینید که در یک سو قرار گرفته و ماده ای دیگر (عموما کربن) که در سمت دیگر است. بین این دو ماده نیز چیزی شبیه به پارچه ایست که ولتا 200 سال پیش استفاده کرد: نوعی پلاستیک که پوششی از ژل یا نوعی مایع دارد که برای جلوگیری از بروز واکنش شیمیایی میان فلزات درون باتری در نظر گرفته شده است اما این ژل همچنان اجازه حرکت کردن را به ذرات اتمی می دهد.

وقتی سیمی در یکی از جهت های باتری لمس می شود، جریان برقرار شده و الکترون ها شروع به حرکت می کنند و همین مساله باعث روشن شدن لامپ ها و یا خروج صدا از اسپیکرها می شود.

در دستگاه های امروزی، محبوب ترین باتری قابل شارژ مورد استفاده قرار می گیرد و آن چیزی نیست جز انواع لیتیومی یونی که حدودا دو دهه ای می شود به دستگاه های الکترونیکی راه یافته است.

جوش و خروش در بازار

باتری ها نیروی حیات فناوری هستند. براساس برآوردهای صورت گرفته توسط شرکت مشاوره Avicenne Energy در سال 1990 میلادی، درست همان زمانی که باتری های لیتیومی یونی تازه وارد بازار می شدند، تقاضای جهانی برای آنها به حدود 200 هزار مگاوات ساعت رسید. این رقم برابر با 44.4 میلیارد عدد باتری قلمی لیتیومی انرجایزر یا انرژی مورد نیاز برای چرخاندن زمین تا 57 مرتبه است.

در سال 2013، یعنی حدودا دو دهه بعد، میزان تقاضا برای این انرژی دو برابر شد. شرکت Lux Research پیش بینی کرده که هزینه های صرف شده روی باتری ها تا سال 2020 میلادی به رقم 26.6 میلیارد دلار می رسد که سی درصد بیشتر از میزان برآورد شده فعلی است.

البته بخش قابل توجهی از این رقم به موبایل ها و تبلت ها مربوط می شود که پیش بینی شده میزان فروش هر دویشان ظرف شش سال آتی افزایشی 45 درصدی را تجربه کند. هزینه های صرف شده برای بهبود باتری های مورد استفاده در وسایل حمل و نقل عمومی نظیر خودروهای سواری نیز افزایشی دو برابری را تجربه کرده و به رقم 20.9 میلیارد دلار می رسد.

با در نظر داشتن همین بودجه هنگفت، بسیاری از دانشمندان شدیدا تلاش دارند تا باتری ها را بهبود ببخشند که متاسفانه باز هم پیشرفت های اندکی در این حوزه حاصل گردیده و نکته دیگر اینکه، تقریبا تمامی این تلاش ها صرف اتومبیل ها و شبکه های توزیع برق شده است.

برای نمونه، غول فناوری دنیا یعنی IBM تیمی متشکل از چندین دانشمند را در تاسیسات Almaden واقع در سن خوزه کالیفرنیا دارد که به صورت اختصاصی روی فناوری باتری کار می کنند.

در سال 2009 میلادی، این شرکت وعده داد که بودجه ای بالغ بر 500 هزار دلار و همچنین گروهی از دانشمندان خود را برای کار کردن روی پروژه ای تحت عنوان باتری 500 اختصاص می دهد: تلاشی برای ساخت باتری هایی که می توانند انرژی مورد نیاز یک ماشین تا مسافت 500 مایلی را تامین کنند.

اما یکی از تکنولوژی های کلیدی برای محقق نمودن این مهم، ساخت باتری های لیتیومی- هوایی است. در واقع IBM قصد دارد به جای تکیه بر کربن و دیگر فلزات (که در باتری های لیتیومی یونی مورد استفاده قرار می گیرند)، محفظه ای را از هوا پر کند و این هوا با لیتیوم درون محفظه وارد تعامل شده و الکتریسیته تولید کند. اگر آنها موفق به انجام چنین کاری شوند آنگاه وزن باتری ها به صورت بالقوه به نصف کاهش می یابد.

اما یک مانع مهم بر سر راه پژوهشگران قرار دارد: پایدار نگه داشتن انرژی و فراهم نمودن امکان شارژ مجدد ین باتری ها، نیازمند هوای پاک است اما هوایی که ما تنفس می کنیم مملو است از آلودگی و آب.

وینفرید ویلک، پژوهشگر ارشد تیم تحقیقاتی IBM در این باره می گوید: برای تصفیه هوا به ماشین آلاتی نیاز خواهد بود و همین مساله بر ابعاد، وزن و پیچیدگی باتری ها می افزاید.

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه تگزاس نیز به مواد دیگری نظیر سیلیکون، سولفور و سدیم برای این منظور فکر می کنند اما بسیاری از تیم های توسعه و تحقیق، هدف نخست خود از انجام این تحقیقات را ماشین ها می دانند و به همین خاطر شاید چندین سال تا ورود این باتری ها به دستگاه های الکترونیکی مصرفی زمان باقی مانده باشد.

در مورد تلاش های انجام شده برای بهبود باتری های لیتیومی یونی هم باید بگوییم که پژوهشگران دانشگاه استنفورد در ماه جولای از ساخت نوعی باتری با استفاده از لیتیوم خالص خبر دادند که می تواند انرژی بیشتری را در خود نگه دارد. اما این باتری تا مرحله کمال و پختگی هنوز هم راه درازی را در پیش دارد.

برخی از دانشمندان نیز مدعی اند که پیشرفت در زمینه ساخت باتری ها به پایان خود رسیده و دیگر از این بهتر امکان پذیر نیست. افراد دیگری نظیر بیل واتکینز سرپرست استارتاپ  Imergy Power Systems اما امیدوارتر هستند. او می گوید: هیچگاه فارغ التحصیلان مقطع دکتری را که به انبوهی از پول دسترسی دارند دست کم نگیرید.

کنار آمدن با واقعیت های امروز

خبر خوب این است که شرکت ها به تدریج راه های جدیدی را برای افزایش عمر باتری ها ابداع می کنند و در عین حال منتظر تکنولوژی های جدید در این حوزه هستند.

در اپل، بسیاری از این پیشرفت ها به واسطه نرم افزار حاصل می شوند. سیستم عامل OS X Mavericks که در سال 2013 میلادی عرضه گردید، می تواند تشخیص دهد که در چه مواردی کاربران کامپیوتر چندین برنامه باز شده دارند و از کدامیک استفاده نمی کنند. در مرحله بعدی، دستگاه  به صورت نظام مند توان پردازشی اختصاص یافته به برنامه هایی که در پس زمینه اجرا می شوند را کاهش می دهد و برای نمونه اگر فیلمی در حال پخش شدن از یوتوب باشد، به روزرسانی تصویری متوقف شده و صرفا به پخش صدا اکتفا می گردد.

در داخل سیستم عامل این شرکت نوعی تکنولوژی نهفته است که تحت عنوان «Timers» از آن یاد می شود. این فناوری در اصل چیپ های کامپیوتر را از وضعیت مصرف پایین در می آورد و به این ترتیب می توانند کارهای مشخصی را انجام دهند.

تیم نرم افزاری اپل در زمان توسعه Mavericks دریافتند که تعداد این تایمرها بیش از اندازه زیاد است و به همین دلیل سیستم مرتبا بیدار می شود. آنها در ادامه موفق شدند که میزان فعالیت پردازنده را به میزان 72 درصد کم کنند و در نتیجه بر میزان بهره وری سیستم های مک بیافزایند.

در سالی که گذشت OS X Yosemite از سوی اپل منتشر شد که امکانات آن برای مصرف بهینه باتری حتی از این هم بیشتر است. به لطف یکی از تغییرات اعمال شده در این سیستم، باتری مک بوک ایر در زمان پخش فیلم های فول اچ دی دو ساعت بیشتر دوام می آورد.

شرکت های دیگری غیر از اپل رویکردی مشابه را در قبال دستگاه های موبایل در پیش گرفته اند. برای نمونه سامسونگ مدی به نام ultra power-saving را به دستگاه هایش آورد که عمر باتری موبایل گلکسی اس 5 را به 12.5 روز افزایش می دهد.

این مد پس از فعال شدن، رنگ های نمایشگر را به مشکی و خاکستری تغییر می دهد و علاوه بر این، محدودیت هایی را هم روی اپلیکیشن ها، تماس های تلفنی، ارسال پیام و وبگردی کاربر اعمال می کند.

برخی شرکت ها نظیر Samsung SDI نیز تلاش دارند تا باتری هایی ایمن تر و قابل اطمینان تر تولید کنند. در واقع سامسونگ مشغول کار روی نوع جدیدی از باتری هاست که ژل و مایعاتی که امروزه در آنها به کار می رود را با فلزات جایگزین نماید. این شرکت امید دارد که با این شیوه بر میزان ایمنی باتری ها بیافزاید و از خطرات احتمالی شان کم کند.

اپل نیز در تلاش است تا میزان باتری بیشتری را در داخل دستگاه های خود جای دهد. در سال 2009 میلادی، شیلر از پیشرفت های قابل توجه در عمر باتری مک بوک ها خبر داد و نشان داد که چگونه می توان باتری های چهارگوش با شکل یکنواختشان را با انواعی جایگزین کرد که شکلی شبیه به قطعه های پازل دارند و می توانند از حداکثر فضای موجود در یک دستگاه بیشترین بهره را ببرند.

به عنوان بخشی از این طرح جدید، کاربران همچنین دیگر امکان تعویض باتری دستگاه های خود را پیدا نمی کردند. با این کار فضای اختصاص یافته برای قرار گرفتن باتری و پوشش محافظ آن، آزاد می شد و فضای بیشتری برای نوآوری مهندسان این شرکت ایجاد می شد.