این روزها به دنبال داشتن شارژر تلفن هوشمند به جزوی از زندگی ما تبدیل شده. طول عمر باتری تلفن‌های هوشمند "حین استفاده مداوم"، در کل بسیار بد است و همه هم این را می‌دانند. اما تصور کنید که تلفن هوشمند شما در عرض 5 دقیقه به طور کامل شاژر شود و 10 ساعت هم قبل از شارژ دوباره، برای شما کار کند. عالی است، نه؟ 

تا امروز فقط Droid Razr Maxx از موتورولا (تصویر بالا) با باتری 3300 میلی آمپری خود توانسته جرقه‌های امید برای رفع مشکل کمبود شارژ را بزند؛ تلفنی که قادر است با یک بار شارژ، 19 ساعت متوالی به پخش ویدیو بپردازد. 

سؤالی که همه در ذهن داریم این است که چرا باتری‌ها از بُعد پیشرفت اینقدر از کاروان تکنولوژی‌های به کار رفته در تلفن‌های هوشمند عقب مانده‌اند؟ در مطلبی که خواهید خواند به دلایل این مشکل، و اینکه چه کسانی در حال تلاش برای رفع آن هستند پرداخته شده. 

خبرهای خوب و بد را در کنار هم آورده‌ایم. خبر خوب این است که کمک در راه است و خبر بد اینکه تکنولوژی‌های جدید هنوز یک یا دو سال با ما فاصله دارند. اما بیایید نگاهی بیاندازیم به تکامل‌های مهیج و حتی انقلاب‌هایی که اینک در جریان‌اند و در آینده سوخت‌رسان تلفن‌های ما خواهند بود. با این مقاله جذاب، همراهِ نارنجی باشید.

تلفن‌های امروزی: دو راه برای بازده بیشتر باتری

در حال حاضر تمام تلفن‌های هوشمند از باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌کنند. یک راه ساده برای اینکه شرکت‌ها مشتریان را راضی‌تر نگه دارند بزرگ کردن اندازه باتری‌ها است، مانند گلکسی نوت 2 با آن باتری 3100 میلی‌آمپری غول‌آسایش. البته بزگتر شدن باتری به معنای بزرگ شدن تلفن و در نتیجه بزرگ شدن نمایشگر است که این آخری، خودش خوش‌خوراک‌ترین جزء یک تلفن هوشمند از نظر مصرف انرژی است. 

تاکتیک دوم می‌تواند استفاده از باتری‌های جاسازی شده در دل تلفن باشد که به سادگی قابل تعویض نخواهند بود. اپل، موتورولا و HTC در آیفون، Razr Maxx و One X این شیوه را در پیش گرفتند. چنین باتری‌هایی به خاطر امکان قالب‌گیری در اَشکال و اندازه‌های مختلف انتخاب هوشمندانه‌ای برای قرار دادن کم‌دردسر باتری‌های بزرگتر کنار سایر اجزاء داخلی تلفن هستند. 

با این دو روش‌ می‌توان باتری‌هایی با ظرفیت بالاتر را در اختیار کاربران قرار داد. اما محققین متوقف نشده‌اند و در حال کار بر روی پروژه‌های بنیادی‌تری هستند. منتهی قبل از آنکه موفق به پیش رَوی شوند، موانعی هست که باید از سر راه برداشت.

مشکل اول: خودِ کاربران

وقتی از تلفن برای دو سه تماس یا فرستادن چند پیام کوتاه استفاده کنید، روزها بدون شارژ مجدد برای شما کار خواهد کرد. اما کاربر امروزی از تلفن هوشمند خود به عنوان پایگاه ذخیرهٔ داده (موسیقی، فیلم، عکس و ...)، قطب ارتباطی (تماس، ارسال پیام و ایمیل، سر زدن به شبکه‌های اجتماعی و ...)، و نیز وسیله سرگرمی استفاده می‌کند که این، مساوی است با نیاز به شارژ هر شبی گجت. 

تماشای ویدیو و گوش دادن به موسیقی بیشترین توان را از باتری می‌بلعد، همین‌طور دانلود و آپلود عکس‌ها، اپلیکیشن‌ها، و نیز به روز کردن وضعیت شخصی در شبکه‌های اجتماعی. جستجوی وای-فای و GPS هم انرژی‌بر است، و بدتر از همه روشن ماندن نمایشگر. تازه به اینها، اپلیکیشن‌هایی را اضافه کنید که در پس‌زمینه به طور خاموش در حال شیطنت هستند.

مشکل دوم: شیمی، شیمی است!

بخشی از مشکل که محققین را مدام به چالش می‌کشد این است که برای حل صورت مسئله، باید از همان عناصر قبلی منتهی این بار به روش‌های بدیع کمک بگیرند. 

تعداد زیادی ترکیب شیمیایی هست که می‌توان از آنها برای ساخت باتری استفاده کرد ولی فقط تعداد اندکی از آنها به اندازه کافی "پایدار" هستند که به هنگام صدمه دیدن باتری، منفجر نشوند! دلیل استفاده از باتری‌های لیتیوم-یون در محصولات الکترونیکی کوچک این است که در عین تأمین انرژی، ایمنی نسبتاً بالایی هم دارند. باتری‌های شیمیایی به طور کلی با صدمه دیدن فیزیکی احتمال انفجار بالایی دارند پس نباید کارِ پژوهشگران را ساده پنداشت.

راه‌حل اول: دگرگونی مواد درون باتری

در فرمونت کالیفرنیا، محققان کمپانی Layden Energy در حال کار روی افزایش عمر باتری با تغییر ترکیبات به کار رفته در آن هستند. ساختار اصلی باتری‌ها کاملاً سر راست است بنابراین بازطراحی این ساختار یک چالش بزرگ به شمار می‌رود. باتری‌های لیتیوم-یون، دو الکترود (یک کاتود و یک آنود) دارند به همراه یک ترکیب الکترولیت در میان آن دو که یون‌ها را بین‌شان انتقال می‌دهد تا شارژ یا تخلیه صورت گیرد. 

هم‌اکنون محققان در آزمایشگاه‌های کمپانی Layden Energy مشغول تست باتری‌هایی هستند که با هر بار شارژ 10٪ نسبت به باتری‌های فعلی شارژ بیشتری نگه می‌دارند. ترکیبی که آنها به عنوان نمک الکترولیت استفاده می‌کنند ایمید لیتیوم است، ترکیبی که مواد شیمیایی داخل باتری را پایدارتر نگه می‌دارد به خصوص وقتی که باتری به دماهای بالا می‌رسد. می‌دانید که تمام دستگاه‌ها دچار افزایش دما حین کارکردن اجزاء داخلی به خصوص پردازنده اصلی می‌شوند. 

داغ شدن دستگاه علاوه بر افزایش خطر انفجار باعث می‌شود باتری متورم شده و تولید اسید هیدروفلوریک را تشدید کند، این اسید برای باتری مانند سم است و در طول زمان عملکرد آن را دچار افت کیفی می‌کند. بنابراین یکی از دستاوردهای اولیه طرح Layden Energy می‌تواند پایین نگه داشتن دمای داخلی تلفن و بالا بردن عمر کلی باتری در استفاده‌های مداوم باشد. 

Layden Energy مدعی است که این باتری طول عمری دو برابر باتری‌های لیتیوم-یون فعلی را در اختیار قرار می‌دهد. ظرفیت باتری‌های فعلی پس از 350 تا 500 سیکل شارژ-تخلیه به 80٪ کاهش می‌یابد. ولی باتری جدید پس از 750 تا 800 سیکل، دچار چنین افتی می‌شود. 

در عین حال تولید باتری با استفاده از ترکیب مخصوص این کمپانی که پتنت آن نیز ثبت شده، نیازی به تغییر ساختار کلی خطوط تولید انبوه باتری ندارد. در حقیقت هدف این کمپانی تولید باتری‌هایی بهتر با استفاده از تکنولوژی‌های فعلی و البته صرف هزینه مشابه بوده. 

تولید این باتری اندکی گران‌تر از باتری‌های فعلی است و رسیدن آن به تولید انبوه برای عرضه به کمپانی‌ها 18 ماه دیگر زمان می‌برد. کمپانی Nvidia در ماه ژوئن با Layden Energy قرارداد همکاری بسته تا طراحی تبلت‌های آینده مبتنی بر Tegra 3 با در نظر گرفتن ساختار باتری جدید انجام گیرد. پس اگر شرکای انویدیا مثل ایسوس نیز از این باتری خوششان بیاید، می‌توانند در تولید آن مشارکت کنند.

راه‌حل دوم: به آغوش کشیدن سیلیکون

بسیاری از پژوهشگران برای رقم زدن عمر بهتر باتری‌ها، به سیلیکون نظر داشته‌اند؛ به خصوص برای ساخت آنود از این ماده. سیلیکون می‌تواند یون‌هایی 10 برابر بیشتر از گرافیت‌های فعلی را حمل کند. فقط یک مشکل بزرگ هست: آنودهای سیلیکونی خیلی راحت تورم کرده و می‌شکنند. در نتیجه باتری بی‌مصرف می‌شود. 

اینجا است که پای پروفسور «یی کویی» از دانشگاه استنفورد به قضیه باز می‌شود. او یک ساختار دو دیوارهٔ سیلیکونی طراحی کرده که در آن با استفاده از یک دیواره لمسی بیرونی که همچون غلاف عمل می‌کند، سیلیکونِ داخل آنود از خورده‌شدگی و خرابی حفظ می‌شود. 

تیم تحقیقاتی استنفورد مدعی است که باتری‌های لیتیوم-یون بهرمند از آنود سیلیکونی باید تا 6000 سیکل شارژ-تخلیه را پشت سر بگذارند تا اینکه ظرفیت اولیه‌شان کاهش پیدا کند، آن هم نه به 80٪ بلکه به 85٪ درصد. (می‌دانید که 80 یا 85 درصد استاندارد صنعت برای جایگزینی باطری قدیمی با نو به شمار می‌رود.) 

مانند بسیاری از دانشمندان، پروفسور کویی نیز از نانو تکنولوژی برای ساخت آنود سیلیکونی خود بهره گرفته. نانو تکنولوژی در عین حال به او کمک کرده چیزی به نام "ضد-فضا" را در ساختار آنود سیلیکونی تعبیه کند که فضای خالیِ کافی برای تورم سیلیکون بدون شکستگی و خرابی آنود را فراهم می‌آورد. ضمن اینکه نانوتکنولوژی باعث افزایش سطح و در نتیجه افزایش واحدهای در دسترس برای انجام واکنش شیمیایی شده. 

باید به این موارد، این را نیز افزود که ترکیبات جدید باعث کاهش وزن و کوچکتر شدن باتری نسبت به باتریهای فعلی لیتیوم-یون شده، آن هم بدون اینکه منجر به کاهش حجم انرژی ذخیره‌شده گردد. باتری‌های کوچکتر و قوی‌تر می‌توانند طراحی نهایی تلفن‌های هوشمند را نیز تغییر دهند و فضا برای افزودن امکانات بیشتر یا باریک‌تر شدن را فراهم کنند. شاید حتی بتوان به جای یک باتری، دو باتری در تلفن‌های آینده قرار داد! چه کسی از این بدش می‌آید؟! 

کمپانی پروفسور کویی Amprius نام دارد و امیدوار است که تا دو سال آینده بتواند باتری‌های قدرتمند با ساختار نانو را در تبلت‌ها، تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و اتومبییل‌های برقی به کار گیرد. 

کویی می‌گوید: «سیلیکون به خودیِ خود ارزان است و ما داریم فرآیند تولید مناسبی را برای ساخت این باتری جدید سیلیکونی طراحی می‌کنیم. موادی مثل سیلیکون می‌توانند تأثیر بزرگی بر صنعت ساخت تلفن‌های هوشمند بگذارند.»

راه‌حل سوم: به قلع فکر کن

محققین دانشگاه ایالتی واشینگتن نیز به دنبال جایگزین کردن آنود گرافیتی با یک ماده دیگر هستند، و این بار «قلع» انتخاب مناسب به نظر رسیده. رئیس تیم پژوهشی آقای «گرنت نورتون» و افراد زیر نظرش یافته‌هایی را گزارش کرده‌اند که بر اساس آنها، آنودی از جنس قلع می‌تواند تقریباً ظرفیت باتری را نسبت به آنود گرافیتی 3 برابرافزایش دهد. حقیقت این است که گرچه انتخاب آنها نمی‌تواند به قدرتمندی باتری سیلیکونی باشد، ولی به ضعیفی دیگر تجارب پژوهشی اخیر نیز نیست. 

تیم دانشگاه واشینگتن در راهکارِ خود از متد آبکاری استفاده کرده، فرآیندی که فلزی را بر روی یک سطح دیگر (در اینجا مس) قرار می‌دهد. آقای نورتون مدعی است که این آنود قلعی نه تنها عمر بیشتر بلکه هزینه کمتری نیز نسبت به آنودهای گرافیتی دارد. و از آنجایی که سایر اجزا باتری نسبت به باتری‌های تلفن‌های فعلی شما بدون تغییر خواهند ماند، این ایده تولید کنندگان را نیز جذب خواهد کرد. خوشبختانه فرآیند آبکاری اغلب در تولید محصولات تکنولوژیک به کار گرفته می‌شود و از این رو نباید مشکلی برای تهیه ماشین‌آلات مورد نیاز وجود داشته باشد.

راه‌حل چهارم: سه بُعدی سازی

(ساختار و طراحی باتری پیرتو) 

حجم بزرگی از تمرکز بر روی فرآیندهای تحقیق و توسعه در زمینه باتری‌ها، توسط «اِیمی پریتو» و کمپانی‌اش، Prieto Battery انجام گرفته که نقشه‌های اساسی‌تری نسبت به سایرین دارند. آنها می‌خواهند به طور کلی ساختار باتری‌ها را دگرگون کنند. 

پریتو باتری‌های لیتیوم-یون را در یک ساختار سه بُعدی یکپارچه به تصویر در آورده که در آن هیچ خبری از الکترولیت مایع نیست. در عوض اسفنج مس (نسل اول) با یک ساختار نانوسیمی (نسل دوم) قالب کلی را شکل می‌دهند و آنود، کاتود، و الکترولیت با استفاده از فرآیند آبکاری در سطح بالایی آن قرار خواهند گرفت. 

اسفنج نانوسیم بسیار مهم است زیرا سطح لازم برای حرکت یون لیتیوم برای قرار گرفتن در جای خود را افزایش می‌دهد. فاصله کمتر میان اجزاء ساختار جدید، به این معنا است که شارژ باتری خیلی سریع‌تر انجام می‌گیرد. در تئوری، این زمان 5 دقیقه برای یک شارژ کامل است. آرایش اجزاء باعث خواهد شد آنود و الکترولیت در تماس دائمی باشند که این خود باعث افزایش سرعت واکنش شیمیایی می‌شود. 

پیرتو به جای گرافیت، از آلیاژ آنتیموانِ مس استفاده کرده که نسبت به گرافیت، واحدهای لیتیوم بیشتری را ذخیره‌سازی می‌نماید. باتری پریتو با یک بار شارژ 5 دقیقه‌ای، 10 ساعت کار می‌کند. نمونه اولیه آن بعد از 750 سیکل شارژ-تخلیه 20٪ از ظرفیت خود را از دست می‌دهد و بر اساس محاسبات، این باتری 30٪ بیشتر از باتری‌های معمولی دوام خواهد داشت. البته باتری پیرتو هنوز در مرحله توسعه است ولی انتظار می‌رود 18 ماه بعد از ارائه پتنت معماری آن به تولیدکنندگان، تولید انبوهش آغاز شود. 

تنها ترکیب ناسالمی که در باتری پیرتو وجود دارد اسید سیتریک است و در نتیجه این باتری را باید بسیار پاک دانست. ضمن اینکه گفته می‌شود محصول نهایی بسیار ارزان قیمت خواهد بود.

راهی که در پیش رو است

ساختن باتری‌های بادوام‌تر فقط به رها کردن شارژر در خانه منتهی نخواهد شد بلکه منجر به ساخت تلفن‌های هوشمندتر نیز می‌شود. باتری‌های قوی‌تر می‌توانند پردازش‌های کامپیوتری پیچیده‌تر و بازی‌هایی با گرافیک بالاتر را تاب بیاورند؛ می‌توانند همراه با تجهیزات پزشکی پیچیده به کار گرفته شوند و البته عملکرد بهتری را برای دستیارهای صوتی به ارمغان بیاورند.