باتری‌های آینده بی‌وزن و نامرئی خواهند بود

ایلان ماسک در «روز باتری تسلا» در ماه سپتامبر، وعده‌های امیدبخشی داد. او به باتری‌های خودرویی با آند تماما سیلیکونی اشاره کرد. هدف ساخت این باتری‌ها افزایش کارایی و کاهش کبالت مصرفی در کاتدها و در‌نهایت کاهش قیمت است. بسته‌ی باتری در شاسی خودرو تعبیه می‌شود و می‌تواند علاوه‌بر انرژی، پشتیبانی مکانیکی فراهم کند. به‌گفته‌ی ایلان ماسک، این طرح می‌تواند وزن خودرو را تا ۱۰ درصد کاهش و کارکرد موتور را بهبود دهد. ماسک باتری ساختاری را تحولی در مهندسی خواند؛ اما از دید برخی پژوهشگران باتری، آینده‌ی ماسک بیشتر شبیه به گذشته است. امیلی گرینهالگ، دانشمند مواد در کالج سلطنتی لندن و آکادمی مهندسی فناوری‌های نوظهور می‌گوید:

ماسک می‌خواهد کاری را انجام دهد که دقیقا دَه سال پیش انجام دادیم؛ اما هدف امروز ما بسیار فراتر از گفته‌های ایلان ماسک است. هیچ باتری تعبیه‌شده‌ای وجود ندارد؛ بلکه ماده به‌تنهایی می‌تواند در نقش منبع انرژی ظاهر شود.

گرینهالگ یکی از کارشناسان پیشتاز جهان در زمینه‌ی باتری‌های ساختاری محسوب می‌شود. باتری‌ ساختاری روشی برای ذخیره‌ی انرژی است که مرز بین باتری و شیء تغذیه‌کننده را از بین می‌برد. امروزه، باتری‌ها بخش درخورتوجهی از اندازه‌ و وزن وسایل الکترونیکی را تشکیل می‌دهند. بخش زیادی از تلفن‌های همراه هوشمند با سلول‌های لیتیوم‌یونی و پردازنده‌های اطراف آن پُر شده  یا ابعاد پهپادها به باتری‌هایی محدود است که حمل می‌کنند. تقریبا یک‌سوم وزن هر وسیله‌ی نقلیه‌ی برقی را باتری آن تشکیل می‌دهد. روشی برای حل این مشکل تولید باتری‌های تعبیه‌شده در خودرو است که تسلا قصد آن را دارد. به‌جای استفاده از کف خودرو برای پشتیبانی از بسته‌ی باتری، کف خودرو همان بسته‌ی باتری خواهد بود.

گرینهالگ و همکاران پا را فراتر می‌گذارند و بهترین روش را استفاده از کل بدنه‌ی خودرو به‌عنوان منبع ذخیره‌ی انرژی پیشنهاد می‌دهند. باتری‌های ساختاری برخلاف بسته‌ی باتری تعبیه‌شده در شاسی نامرئی هستند. ذخیره‌ی الکتریکی در لایه‌های نازکی از مواد کامپوزیتی انجام می‌شود که چهارچوب خودرو را تشکیل می‌دهند. این مواد بی‌وزن هستند؛ زیرا خودرو همان باتری است.

باتری لیتیوم‌یونی داخل تلفن‌همراه یا بسته‌ی باتری EV از چهار مؤلفه‌ی اصلی تشکیل شده است: کاتد، آند، الکترولیت و جداکننده. وقتی بار باتری تخلیه می‌شود، جریان‌های لیتیوم‌یونی ازطریق الکترولیت از آند منفی به کاتد مثبت حرکت می‌کنند. جداکننده برای پیشگیری از مدار کوتاه این دو بخش را تفکیک می‌کند. در باتری‌های معمولی، این عناصر مانند کیک ازدواج روی یکدیگر انباشته یا برای ذخیره‌ی حداکثر انرژی ممکن، دورتادور یکدیگر مانند یک نان شیرینی پیچیده شده‌اند؛ اما در باتری ساختاری، این عناصر به‌گونه‌ای تنظیم می‌شوند که بتوان سلول را به اَشکال نامنظمی درآورد که در‌برابر تنش‌های فیزیکی مقاوم باشد. باتری ساختاری ظاهری مکعبی یا استوانه‌ای‌شکل ندارد؛ بلکه می‌تواند خود بال هواپیما یا بدنه‌ی خودرو یا قاب تلفن‌همراه باشد.

باتری‌های زیست‌تقلیدی به بخشی از بدن حشرات رباتیک تبدیل شده‌اند

اولین باتری‌های ساختاری را ارتش ایالات متحده در اواسط دهه‌ی ۲۰۰۰ تولید کرد. در این باتری‌ها، از فیبر‌ کربنی برای الکترودهای سلولی استفاده شده بود. فیبرکربنی ماده‌ای بسیاری قوی و سبک‌وزن است که کاربرد زیادی در ساخت بدنه‌ی هواپیما و خودروهای بهینه دارد. همچنین، در ذخیره‌سازی لیتیوم‌یون‌ها عملکردش موفق است که جایگزین مناسبی برای دیگر مواد کربنی مثل گرافیت هستند. از این مواد به‌عنوان آند در باتری‌های لیتیوم‌یونی متداول استفاده می‌شود.

در باتری ساختاری، از فیبرکربنی برانگیخته با مواد واکنشگر مثل فسفات آهن برای ساخت کاتد استفاده می‌شود. صفحه‌ی باریکی از شیشه‌ی درهم‌بافته نیز دو الکترود را از یکدیگر جدا می‌کند و این لایه‌ها به‌صورت معلق در ژل الکتروشیمیایی قرار می‌گیرند. مجموعه‌ی کامل باتری در‌نهایت صرفا چندمیلیونیوم متر ضخامت دارد و می‌توان آن را به‌شکل دلخواه درآورد.

لیف آسپ دانشمند مواد از دانشگاه فناوری چاملرز سوئد و یکی از پیشتازان پژوهش باتری‌های ساختاری در دهه‌ی گذشته است. او و گرینهالگ و گروهی از دانشمندان اروپایی در سال ۲۰۱۰ روی پروژه‌ای به‌نام Storage با یکدیگر همکاری کردند. هدف این پروژه ساخت باتری‌های ساختاری و تعبیه‌ی آن‌ها در نمونه‌ی هیبریدی خودروی ولوو بود. به‌گفته‌ی آسپ، از مزایای باتری‌های ساختاری می‌توان به کاهش مقدار انرژی موردنیاز EV برای رانندگی در مسافت‌های کوتاه اشاره کرد.

گروه پژوهشگران در مدت سه سال با موفقیت باتری‌های تجاری لیتیوم‌یونی را در پوششی پلنومی تعبیه کرد. پوشش پلنومی مؤلفه‌ای برای تنظیم هوای ورودی به موتور است. این بخش باتری اصلی خودرو نبود؛ بلکه بسته‌ای ثانویه و کوچک‌تر بود که برق تهویه‌ی خودرو، استریو و چراغ‌ها را در وضعیت خاموشی موقتی موتور تأمین می‌کرد. این پژوهش اولین اثبات طرح مفهومی باتری ساختاری بود که در بدنه‌ی خودرو تعبیه شده بود و درحقیقت، نسخه‌ی کوچک‌شده‌ای از بسته‌ی باتری بود که تسلا در‌صدد دستیابی به آن است.

فشرده‌سازی مجموعه‌ای از سلول‌های معمولی لیتیوم‌یونی در بدنه‌ی خودرو به‌اندازه‌ی تبدیل خودرو به باتری بهینه نیست. آسپ و گرینهالگ در پروژه‌ی Storage، اَبَرخازنی توسعه دادند که به‌عنوان درِ صندوق عقب به‌کار می‌رفت. اَبَرخازن مشابه باتری است؛ اما انرژی را به شکل بار الکترواستاتیک ذخیره می‌کند، نه واکنش شیمیایی. درِ ساخته‌شده برای ولوو ترکیبی از دولایه‌ی فیبرکربنی بود که با اکسید‌منیزیم و اکسید‌آهن برانگیخته و با یک لایه‌ی عایق جدا شده بودند. کل پشته هم در چند لایه‌ پیچیده شده و به‌شکل درِ صندوق درآمده بود.

آسپ و گرینهالگ و گروهی از پژوهشگران اروپایی در تابستان امسال هم پروژه‌ای سه‌ساله به‌نام Sorcerer (جادوگر) را به‌پایان رساندند که هدف آن توسعه‌ی باتری‌های لیتیوم‌یونی ساختاری برای صنعت تجاری هوایی بود. صنایع هوانوردی به‌شدت به انرژی وابسته هستند و نشر کربنی زیادی نیز دارند. برقی‌کردن هواپیماهای مسافربری مشکل بسیار بزرگی است؛ زیرا این هواپیماها به انرژی زیادی نیاز دارند و درمقابل، سوخت هواپیما برای محیط مضر است. برای هواپیمای معمولی با ظرفیت ۱۵۰ مسافر تقریبا به یک تن باتری به‌ازای هر مسافر نیاز است؛ بنابراین، اگر بخواهید چنین هواپیمایی را برقی کنید، اصلا نمی‌توانید از زمین برخیزد.

شرکت‌های شناخته‌شده‌ی هوایی، مثل ایرباس و استارتاپ‌هایی، مثل Zunnum سال‌ها است به‌دنبال تولید هواپیماهای برقی هستند؛ اما حتی در‌صورت موفقیت، ساخت هواپیمایی تماما سلولی با ریسک‌هایی همراه است. یک مدار کوتاه در یک بسته‌ی باتری بزرگ می‌تواند عامل آتش‌سوزی یا انفجار باشد.

آسپ و همکاران او به‌عنوان بخشی از پروژه‌ی Sorcerer، باتری‌های ساختاری را تولید کردند که از لایه‌های نازک فیبرکربنی ساخته شدند و می‌توان از آن‌ها برای ساخت بخش‌هایی از کابین یا بال هواپیما استفاده کرد. این باتری‌ها در‌مقایسه‌با باتری‌های پروژه‌ی Storage خواص بهبود‌یافته‌ی مکانیکی و تراکم انرژی دارند که ده سال پیش توسعه یافت.

مشکلات اصلی زمانی شروع می‌شود که باتری‌ها از آزمایشگاه خارج شوند و به تولید واقعی برسند. قانون‌گذاران و تولیدکننده‌گان باید واکنش باتری‌های ساختاری و تأثیر آن‌ها بر عملکرد وسایل نقلیه را بتوانند پیش‌بینی کنند. گرینهالگ و آسپ برای رسیدن به این هدف در حال توسعه‌ی مدل‌های ریاضی هستند که تغییر ساختار وسایل نقلیه‌ی تشکیل‌شده از این باتری‌ها را نشان می‌دهند.

جای شیائو، دانشمند و مدیر ارشد گروه سیستم مواد و باتری آزمایشگاه شمال‌غربی اقیانوس آرام، میکروالکترونیک را یکی از حوزه‌هایی می‌داند که کمتر در کانون توجه قرار گرفته است. این دستگاه‌ها را می‌توان به‌راحتی روی نوک انگشت جای داد و در زمینه‌ی پزشکی از آن‌ها استفاده کرد. شیائو و تیمش روی کاربردهای مختلف علمی باتری‌های ساختاری میکرو مثل برچسب‌های ردیابی تزریق‌شدنی برای ماهی و خفاش کار کردند؛ اما او معتقد است پژوهش‌ها هنوز با تولید انبوه فاصله دارند.

نیکولاس کوتو، مهندس شیمی و شیمی‌دان دانشگاه میشیگان، نمایشگاهی از ربات‌های بیومیمتیک (زیست‌تقلیدی) سرپرستی می‌کند که همراه‌با دانشجویانش توسعه داده است. هدف این تیم ساخت ماشین‌هایی است که از رفتار حیوانات تقلید می‌کنند و به منبع توان یکپارچه با اسکلت رباتیک مثل ماهیچه و چربی نیاز دارند. برخی از آخرین تولیدات این تیم، عقرب، عنکبوت، مورچه و کرم‌هایی هستند که به‌سرعت روی زمین حرکت می‌کنند. تمام این ربات‌ها از باتری‌های ساختاری منحصربه‌فرد و یکپارچه با اجزای بدن برخوردار هستند. باتری مانند پوسته‌ای نقره‌ای در قسمت پشت ربات قرار می‌گیرد و وظیفه‌ی تأمین انرژی و محافظت از اجزای مکانیکی ربات را بر‌عهده دارد.

با اینکه باتری‌‌های ساختاری وسایل نقلیه معمولا جامد هستند، سلول تیم کوتو نسبت با حرکت ربات‌ها سازگار است. این باتری‌ها ازنظر انرژی متراکم هستند. به‌گفته‌ی کوتو و تیمش در مقاله‌ای، ظرفیت باتری‌های ساختاری آن‌ها ۷۲ برابر ظرفیت سلول‌های معمولی لیتیوم یونی با حجم یکسان است. درحال‌حاضر، از باتری‌های کوتو در اسباب‌بازی‌های رباتیک و پهپادهای کوچک استفاده شده است؛ اما تیم آن‌ها در تلاش است در آینده‌ای نه‌چندان دور، باتری‌ها را برای پهپادهای متوسط توسعه دهند. باتری‌ها همیشه معیارهایی محدودکننده و اضافی بودند که امروزه در حال تبدیل به بافتی از دنیای الکتریکی هستند. در آینده همه‌چیز باتری خواهد شد و دیگر موجودیت مستقلی برای باتری‌ها وجود نخواهد داشت.