تکنولوژی شارژ باتری در ۵ دقیقه؛ از خیال تا واقعیت

ساخت یک باتری بهتر از نمونه‌های کنونی نیازمند سر و کله زدن با انبوهی از مشکلات مختلف در حوزه‌های علم مواد، شیمی و پروسه‌های تولید است. به صورت معمول در اخبار می‌شنویم که پیشرفت‌هایی تازه در دو دسته‌بندی نخست حاصل شده است، اما از سوی دیگر بارها از این شکایت شده که نمی‌توان مشکلات موجود در دسته‌بندی سوم را رفع و رجوع کرد: سر در آوردن از اینکه کمپانی‌ها چطور می‌توانند راه حل‌های پیشنهادی علم را برداشته و آن‌ها را به محصولی واقعی و قابل استفاده تبدیل کنند.

اخیرا یک شرکت به نام StoreDot مدعی توسعه باتری جدیدی شده که می‌تواند ضمن تعبیه در اتومبیل‌های الکتریکی، در عرض ۵ دقیقه شارژ شود و خود نیز حاضر به صحبت با رسانه‌ها شده.

متاسفانه پاسخ به سوالات مطرح شده دقیقا آن چیزی نبودند که انتظارش می‌رفت. این کمپانی خیلی ساده در پاسخ به سوالات به خبرگزاری‌ها گفت که: «ممنون بابت تمایل شما به محصول ما. ما اکنون در مرحله تحقیق و توسعه خالص به سر می‌بریم و نمی‌توانیم هیچ اطلاعاتی به اشتراک بگذاریم یا به سوالات پاسخ دهیم.» اما این کمپانی در عوض مصاحبه‌ای اختصاصی با نشریه گاردین داشت.

در این مقاله، تمام اطلاعات موجود در مصاحبه گاردین و همینطور اطلاعات درج شده در وب‌سایت رسمی StoreDot را جمع‌آوری کرده‌ایم تا ذهنیتی کلی راجع به رویکرد این کمپانی به دست آوریم و سپس به مقایسه همه‌چیز با اطلاعاتی که پیشتر درباره تکنولوژی باتری‌ها شنیده‌ایم پرداخته‌ایم. آنچه در ادامه مطالعه خواهید کرد، تصویری کلی از تکنولوژی این کمپانی است و چالش‌هایی که باید بر آن‌ها فائق آید تا کار مفهومی خود را برداشته و تبدیل به محصولی حقیقی کند.

نیاز به سرعت

StoreDot تا حدی در حال استفاده از ایده‌ای است که برای مدتی نسبتا طولانی ذهن محققین آزمایشگاه‌ها و استارتاپ‌های مختلف را به خود مشغول کرده است. اما این کمپانی دست به خطرپذیری زده و می‌خواهد از این ایده‌ها به گونه‌ای متفاوت از آنچه پیشتر وعده داده شده استفاده کند.

قماری که StoreDot کرده، اینست که گستره شارژ یک اتومبیل الکتریکی را مهم‌ترین عامل در نظر نگرفته است: موضوع درباره اینست که چقدر سریع می‌توان این گستره را افزایش داد. بنابراین درحالی که کمپانی در حال تحقیق روی تکنولوژی‌هایی است که ظرفیت بیشتر را در باتری‌های لیتیوم-یونی به ارمغان می‌آورند، مسیر عکس را در پیش گرفته و بخشی از ظرفیت باتری را فدای سرعت بالاتر شارژ می‌کند.

اگر بخواهیم جوری دیگر بگوییم، قمار اصلی اینست که مردم ترجیح می‌دهند با ۵ دقیقه شارژ، مسیری ۳۰۰ کیلومتری را با اتومبیل الکتریکی خود طی کنند. به جای اینکه با یک بار شارژ ۱ ساعته، مسیری ۶۰۰ کیلومتری را بپیمایند.

شارژ باتری منجر به تولید حرارت فراوان می‌شود، حالا اگر بخواهید باتری را سریع‌تر شارژ کنید، حرارت تولید شده حتی بیشتر خواهد بود

معنای این قمار در سطح سخت‌افزاری چیست؟ موضوع عمدتا به مدیریت حرارت باز خواهد گشت. همانطور که هرکسی که لپ‌تاپ خود را هنگام استفاده به برق متصل می‌کند می‌داند، شارژ باتری منجر به تولید حرارت فراوان می‌شود. حالا اگر بخواهید باتری را سریع‌تر شارژ کنید، حرارت تولید شده حتی بیشتر خواهد بود.

برای حل این مشکل، StoreDot اساسا در حال ساخت یک باتری طویل با انبوهی از فضا میان هر سلول است. این سلول‌ها فواصل بسیار زیادی بین خود دارند و بدنه باتری هم به حفره‌هایی مجهز شده که جریان هوا را میان تمام اجزا به حرکت در می‌آورند. شارژ باتری هم درون پایه‌ای مخصوص و مجهز به چند فن صورت می‌گیرد که هوا را به سمت باتری هدایت کرده و حرارت را تحت کنترل در می‌آورند.

هرکسی می‌تواند چنین کاری را با تکنولوژی کنونی باتری‌ها به انجام برساند، اما بهایی کاملا بدیهی وجود خواهد داشت: تراکم بسیار پایین‌تر انرژی، به این معنا که باتری باید به شکل قابل توجهی بزرگ‌تر باشد تا همان مقدار از شارژ را در خود نگه دارد. StoreDot با کار روی یک تکنولوژی تازه که اجازه تراکم شارژ بسیار بیشتر را می‌دهد، در صدد جبران خسارت برآمده. در نهایت، باتری باید مقداری یکسان از شارژ را نسبت به باتری‌های کنونی در خود جای دهد، حتی با اینکه مواد باتری کمتری در آن به کار رفته است.

ماجرای تراکم

اگر حاضر بودید که تکنولوژی کنونی باتری‌ها را با سرعت بسیار کمتر شارژ کنید، بدیهتا به ظرفیت انرژی بسیار بالاتر در ابعادی یکسان دسترسی می‌یافتید. و این مسئله‌ای است که افراد مختلف برای مدتی طولانی از زوایای مختلف به آن نگاه کرده‌اند. خوشبختانه در میان توضیحات نامفهومی که کمپانی ارائه در وب‌سایت خود آورده و اطلاعاتی که در اختیار گاردین گذاشته، می‌توان درکی کلی از آنچه دارد اتفاق می‌افتد به دست آورد.

گوگرد معمولا واکنش‌های شیمیایی ناخواسته درون باتری به وجود می‌آورد، اما سیلیکون از چنین مشکلاتی رنج نمی‌برد

تمام باتری‌های لیتیوم-یونی نیازمند الکترودهایی هستند که از موادی ساخته شده باشند که بتوانند وقتی مشغول انتقال شارژها از یک الکترود به الکترود دیگر نیستند، یون‌های لیتیوم را در خود ذخیره کنند. یکی از موادی که به صورت رایج مورد استفاده قرار می‌گیرد، گرافیت است؛ فرمی از کربن که از چندین لایه صفحه گرافین تشکیل شده و به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد خودشان را میان این صفحات جای دهند. اما موادی دیگر نیز وجود دارند، مانند گوگرد و سیلیکون که می‌توانند لیتیوم بیشتری را در خود ذخیره کنند. گوگرد معمولا واکنش‌های شیمیایی ناخواسته درون باتری به وجود می‌آورد، اما سیلیکون از چنین مشکلاتی رنج نمی‌برد.

پس چرا همه شروع به استفاده از سیلیکون نمی‌کنند؟ به خاطر اینکه با ذخیره‌سازی انبوهی از لیتیوم درون آن، سیلیکون شروع به انبساط می‌کند. سیکل انبساط و انقباضی که هنگام شارژ و تخلیه شارژ رخ می‌دهد، به تمام ساختارهای ریز درون سیلیکون آسیب می‌زند و در ابعاد بزرگ‌تر هم شاهد آسیب رسیدن به تمامیت ساختاری خود باتری خواهیم بود. بنابراین سر در آوردن از چگونگی مدیریت تغییرات حجمی، یکی از کلیدی‌ترین مسائل در ساخت باتری‌های لیتیوم یونی مبتنی بر سیلیکون به حساب می‌آید.

SroreDot با برطرف کردن مشکل حرارت، بخشی از این مشکل را نیز برطرف نموده است: قطعات مجزای باتری این کمپانی همگی باریک‌تر هستند تا حرارت به شکلی آسان‌تر فرار کند، بنابراین درحالی که انبساط باتری با مقادیر یکسان صورت می‌گیرد، اما مقدار نهایی اندکی کوچک‌تر است.

StoreDot به سراغ یک پلیمر انعطاف‌پذیر نیز رفته که در صورت پارگی، قابلیت خودترمیمی دارد

اگرچه این کار مشکلات یکپارچکی ساختار باتری در ابعاد وسیع را رفع و رجوع می‌کند، مشکلات ابعاد کوچک‌تر که هنگام انبساط و انقباض الکترودهای موجود در سلول‌ها بروز می‌یابند همچنان به قوت خود باقی خواهند بود. در این جا نیز راهکار کمپانی ظاهرا با برخی از تحقیقات صورت گرفته در سال ۲۰۱۷ میلادی هم‌پوشانی دارد. در این پژوهش، سیلیکون تبدیل به ذرات نانو شد و الکترودها در واقع از لایه‌ای از ذرات نانو تشکیل شده بودند، مانند زمانی که چند صد تیله را درون یک جعبه می‌ریزید. این منجر به شکل‌گیری یک مساحت سطحی بالا می‌شود که رسانای شارژ به صورت سریع خواهد بود.

درست مانند پژوهش قبلی، ذرات نانو درون الکترودی انعطاف‌پذیر نگهداری می‌شوند که می‌تواند همراه با آن‌ها انبساط یابد. درحالی که محققان در سال ۲۰۱۷ میلادی از گرافین استفاده کرده بودند، StoreDot ظاهرا به سراغ یک پلیمر انعطاف‌پذیر رفته که در صورت پارگی، قابلیت خودترمیمی دارد (در واقع پلیمرهای خود ترمیم‌گر برای حداقل یک دهه در دسترس بوده‌اند). مشخص نیست که آیا این پلیمر هم خاصیت رسانایی دارد و می‌تواند شارژ را به درون و بیرون ترکیب سیلیکون و لیتیوم منتقل کند یا خیر. اگر پاسخ این سوال منفی باشد، بدون تردید از موادی دیگر نیز استفاده شده که آن‌ها هم به اندازه ذرات نانوی سیلیکونی منبسط و منقبض می‌شوند.

اکنون کجای کاریم؟

یک باتری نیازمند یک الکترود ثانویه و یک الکترولیت است تا به خوبی کار کند. در اینجا StoreDot اطلاعات چندانی منتشر نکرده است: حتی در صفحات مختلف وب‌سایتش به زحمت اشاره‌ای به یک الکترود ثانویه شده که گویا با استفاده از «ترکیبات اختصاصی» ساخته می‌گردد. اشارات به الکترولیت هم به همین اندازه مبهم هستند و بیشتر به چگونگی عملکرد آن می‌پردازند تا اینکه از چه جنسی ساخته شده است. بنابراین مرتبط دانستن هر چیز دیگر در باتری پک StoreDot به پژوهش‌های قبلی، کاری غیرممکن می‌شود.

اما از آن‌جایی که StoreDot اندکی اطلاعات در اختیار گاردین گذاشته، می‌توان حدس زد که این کمپانی با تکنولوژی خود چقدر پیش رفته است. در سال ۲۰۱۸، StoreDot خبر از همکاری با یک تولیدکننده چینی داد که در نهایت به تولید انبوه هر سخت‌افزاری می‌پردازد، البته زمانی که تعداد مشخصی از مصرف‌کنندگان حاضر به خرید باتری‌ها باشند. در اعلامیه‌ای که به دست خبرگزاری‌های پوشش‌دهنده این خبر رسید گفته شد که نخستین دور از باتری‌های نمونه همین حالا تولید شده‌اند و برای تست از سوی تولیدکنندگان سخت‌افزار آماده هستند.

اما یک نکته کلیدی در مقاله گاردین اینست که گرچه باتری‌های نمونه قرار است عملکردی مشابه ورژن نهایی و به تولید انبوه رسیده داشته باشند، اما در واقع از لحاظ ترکیبات شیمیایی دقیقا همان محصول غایی نیستند. برای تسهیل فرایند تولید، StoreDot از عنصری در ردیف پایینی سیلیکون در جدول تناوبی عناصر استفاده کرده بود. کار کردن با ژرمانیوم نسبت به سیلیکون آسان‌تر است و تعاملاتی دقیقا یکسان با لیتیوم دارد، اما تنها مشکلش اینست که عنصری بسیار گران‌قیمت به حساب می‌آید. در حال حاضر راهی برای تشخیص این وجود ندارد که استفاده از سیلیکون به مراتب ارزان‌قیمت‌تر، چه میزان چالش در کار StoreDot به وجود می‌آورد.

اگرچه بسیاری از ابعاد مربوط به تکنولوژی و چالش‌های پیش روی StoreDot کماکان در هاله‌ای از ابهام باقی مانده‌اند، چند نکته را باید روشن کرد. یک نکته اینست که پایش خروجی روندهای توسعه در دنیای علم مواد کاری بسیار دشوار به حساب می‌آید، زیرا این پروسه‌ها معمولا به درون سیاهچاله‌ی حفاظت از اطلاعات اختصاصی کشیده می‌شوند و اصلی‌ترین دلیل این ماجرا، نیاز به تجاری‌سازی است.

مسیری نه‌چندان هموار در پیش

نکته دیگر اینست که مسیر میان تحقیق و تجاری‌سازی، مسیری لزوما مستقیم نیست. اگرچه همین حالا می‌توان مقاله‌ای یافت که حاوی اطلاعات مشابه به راهکار StoreDot برای استفاده از سیلیکون است، اما تفاوت‌های زیادی هم میان دو پژوهش وجود دارد. برای مثال StoreDot تا حد زیادی بر پیشرفت‌های علم مواد در سال‌های اخیر -مانند پلیمر خود ترمیم‌گر- متکی بوده و چنین موادی در مقاله دیگر اصلا مورد بررسی قرار نگرفته‌اند و تاثیرشان بر خروجی نهایی نیز به هیچ وجه مشخص نیست.

با توجه به اطلاعات محدود که از این پروژه موجود است، به نظر می‌رسد که این تکنولوژی از قلمروی تحقیقات آکادمیک خارج شده‌ و سر از دنیای پر رمز و راز تجاری‌سازی و بازرگانی درآورده‌ است.