آينده‌ي تلفن‌هاي هوشمند؛ قسمت اول: تكنولوژي باتري
اولين قسمت از مجموعه‌ي "آينده‌ي تلفن‌هاي هوشمند" به تكنولوژي باتري اختصاص دارد. در اين مجموعه مقالات علمي، ابتدا نگاهي به تكنولوژي‌هاي فعلي موجود در تلفن‌هايمان انداخته، سپس به مطالعه تكنولوژي‌هاي در حال توسعه در آزمايشگاه‌ها و مراكز تحقيقاتي مي‌پردازيم؛ تكنولوژي‌هايي انقلابي كه پتانسيل زير و رو كردن بازار را دارند.
در ادامه با كمي اصطلاحات تخصصي و علمي روبرو خواهيد شد؛ چرا كه اصل اين مجموعه، از دل مقالات علمي روز بيرون آمده است. اما جاي هيچگونه نگراني وجود ندارد؛ نهايت تلاش خود را كرده‌ايم تا متني آسان و قابل فهم براي همه تهيه كنيم. اگر علاقه داريد بدانيد درون تلفن شما چه خبر است، اين مجموعه براي شما است.
معرفي باتري‌هاي ليتيومي
فن‌آوري باتري‌هاي قابل شارژ بايد به صورت پيوسته بهبود پيدا كند تا باتري يك دستگاه قابل حمل بتواند پا به پاي پيشرفت‌هاي عظيم ديگر بخش‌هاي آن جلو بيايد. به همين دليل اين موضوع تبديل به يكي از مورد پژوهش ترين موضوعات در جامعه‌ي علمي دنيا شده است. اكثريت مطلق دستگاه‌هاي قابل حمل امروزي از باتري‌هاي مبتني بر ليتيوم استفاده مي‌كنند، كه رايج‌ترين آن‌ها باتري‌هاي ليتيوم-يوني (Li-ion) و ليتيوم-پليمر (Li-po) هستند.
باتري‌هاي ليتيوم يوني در اواخر قرن بيستم با ظرفيت بسيار بيشتر و وزن كم خود جايگزين باتري‌هاي قابل شارژ نيكل كادميوم (Ni-Cad) شدند. اين نوع از باتري‌ها معمولاً به صورت سلول‌هاي دكمه‌اي شكل و يا سيلندري (با ظاهري مشابه باتري‌هاي قلمي AA) به توليد انبوه مي‌رسند و در نهايت بر روي هم چيده و بسته‌بندي مي‌شوند تا ظاهري شبيه باتري درون تلفن همراه شما به خود بگيرند. اين نوع بسته بندي به دليل اينكه نسبت "باتري به حجم" پاييني دارد ناكارآمد است. باتري‌هاي ليتيوم پليمر كه چند سال بعد از باتري‌هاي ليتيوم يوني معرفي شدند از همان مواد شيميايي بهره مي‌گيرند؛ با اين تفاوت كه حلّال مايع در آن‌ها با يك تركيب پليمري جامد جايگزين شده است و خود باتري هم به جاي اينكه روكش سفت و سخت فلزي داشته باشد، پوششي پلاستيكي دارد كه به آن انعطاف‌پذيري بيشتري مي‌دهد.
فرآيند كار اكثر باتري‌هاي مبتني بر ليتيوم به اين صورت است كه يون‌هاي ليتيوم (+Li) از طريق يك محلول الكتروليت از آنُد (الكترود مثبت) به سمت كاتد (الكترود منفي) حركت كرده و الكتريسيته در مدار آزاد مي‌كنند(انرژي موبايل و تبلت شما دقيقاً از طريق همين فرآيند تامين مي‌شود). هنگام شارژ، اين فرآيند معكوس شده و يون‌هاي +Li جذب آند مي‌شوند. ظرفيت يك باتري عملاً به تعداد يون‌هاي +Li كه آند مي‌تواند جذب كند بستگي دارد. تقريباً تمامي باتري‌هاي ليتيومي امروزي كه در محصولات مصرفي ممكن است بيابيد، آند‌هايي از جنس گرافيت دارند كه براي به حداكثر رساندن ميزان جذب، از سطحي بسيار منظم بهره مي‌گيرند.
طرح شماتيك از فرآيند دشارژ (تخليه) باتري. تلفن همراه شما نيروي خود را از طريق همين فرآيند تامين مي‌كند.
با اين حال باتري‌هاي ليتيومي در طول زمان دچار افت عملكرد مي‌شوند، و اين فرآيند با افزايش دماي محيط (مخصوصاً دماي بالاي ناشي از شارژ دستگاه و همچنين استفاده از آن) سرعت مي‌گيرد. يكي از دلايل اينكه توصيه مي‌شود از شارژري با آمپراژ پايين براي شارژ كردن موبايل خود استفاده كنيد همين موضوع است. شارژرهايي كه موبايل شما را سريع‌تر شارژ مي‌كنند موجب افزايش دماي بيشتر آن نيز مي‌شوند.
روند فرسوده شدن باتري به تغييرات شيميايي و ساختاري الكترود مربوط مي‌شود. يكي از دلايل كم شدن عمر باتري اين است كه حركت يون‌هاي +Li در طول زمان به سطح صاف و منظم الكترود صدمه مي‌زند. در طول زمان، نمك‌هاي ليتيوم كه الكتروليت را تشكيل مي‌دهند، بر روي الكترود‌ها به صورت بلوري رسوب كرده و با مسدود كردن منافذ آن مانع از جذب يون‌هاي +Li مي‌شوند. ميزان فرسوده شدن باتري معمولاً با معياري به نام "بهره وري كولمبيك" سنجيده مي‌شود كه تعريف آن عبارت است از نسبت تعداد الكترون‌هاي خروجي از آند به تعداد الكترون‌هايي كه طي فرآيند شارژ به آند باز مي‌گردند. معمولاً باتري‌ها بايد بهره‌وري كولمبيك بالاي ۹۹.۹٪ داشته باشند تا از لحاظ تجاري بتوان بر روي كاركرد آن‌ها حساب كرد.
باتري‌هاي ليتيومي با گذشت زمان دچار افت عملكرد مي‌شوند و دماي بالا به اين فرآيند سرعت مي‌بخشد.
يكي از اصلي‌ترين نگراني‌هاي مربوط به باتري‌هاي ليتيوم يوني و ليتيوم پليمري خطر آتش‌سوزي در صورت شارژ بيش از حد، دماي بالا، اتصال كوتاه و يا سوراخ شدن آن‌ها است. مدارهاي شارژ در دستگاه‌هاي قابل حمل امروزي به گونه‌اي طراحي شده‌اند تا جلوي سه مورد اول را بگيرند؛ اما اگر در انجام اين كار موفق نباشند، اوضاع به شدت خطرناك شده و يك سري واكنش‌هاي زنجيره‌اي به وجود مي‌آيند كه همگي موجب افزايش حرارت بيشتر باتري مي‌شوند. اين فرآيندها كه در شيمي به thermal runaway مشهورند، در نهايت موجب انفجار دستگاه خواهند شد. از آنجا كه باتري‌ها، درون دستگاه مورد استفاده بسته‌بندي شده‌اند، سوراخ شدن آن‌ها موردي بسيار نادر است؛ اما مي‌تواند خطرناك باشد. عاملي كه اكثر اوقات ناديده گرفته مي‌شود تهويه است. تهويه براي كمك به دفع حرارت توليد شده توسط باتري لازم است و خطر انفجار را كاهش مي‌دهد.
بويينگ ۷۸۷ شركت پست ايالات متحده (UPS) كه حامل باتري‌هاي ليتيومي بود و دچار سانحه‌ي آتش‌سوزي شد
پيشرفت‌هاي آينده
باتري‌هاي ليتيومي چگونه پيشرفت خواهند كرد؟ مشخصاً بايد منتظر ظرفيت بالاتر، عمر طولاني‌تر، بهبود ايمني و شارژ سريع‌تر باشيم.
سه ويژگي و بهبودي كه محققان بيشتر از همه به دنبال آن هستند عبارتند از چگالي انرژي بالاتر، عمر طولاني‌تر و شارژ سريع‌تر. اگر بخواهيم تكنولوژي فعلي ليتيوم پليمر را ارتقاء بدهيم، بهبود ماده‌ي به كار رفته در آند هر سه ويژگي بالا را در باتري بهبود مي‌بخشد. به اين صورت كه نرخ بالاي جذب الكترون توسط آند موجب بالارفتن سرعت شارژ شده، جايگاه‌هاي بيشتر براي يون‌هاي ليتيوم بر روي آند ظرفيت باتري را افزايش داده، و در نهايت استفاده از آند انعطاف پذير هم عمر باتري را افزايش خواهد داد. ديگر زمينه‌هايي كه بر روي آن‌ها تحقيق مي‌شود شامل الكتروليت به كار رفته بين دو الكترود و كاهش هزينه‌ي ساخت اجزاي مختلف باتري است.
اجزاي غير قابل اشتعال
دانشمندان به طور جدي به دنبال راه‌هايي براي بهبود امنيت باتري‌هاي ليتيومي هستند. يكي از حوادثي كه اخيراً به وقوع پيوست و توجه زيادي را به خود جلب نمود، حادثه‌ي آتش‌سوزي‌اي است كه پرواز بويينگ ۷۸۷ شركت پست آمريكا (UPS) را زمين‌گير كرد. آتش‌سوزي ناشي از اشتعال باتري‌هاي ليتيومي هواپيما بود. اوايل سال جاري دانشگاه كاروليناي شمالي اعلام كرد كه جايگزيني براي حلّال‌هاي متداول و قابل اشتعال به كار رفته در باتري‌هاي ليتيومي يافته‌است كه پرفلوئوروپلي‌اتر (PFPE) نام دارد.
PFPEها به صورت گسترده به عنوان روان‌كننده‌ي صنعتي استفاده مي‌شوند؛ اما گروه پژوهشي دانشگاه كارولينا متوجه شدند كه اين ماده نمك‌هاي ليتيوم را هم در خود حل مي‌كند. تيم تحقيقاتي عقيده دارند كه PFPE نمك‌هاي ليتيوم را حتي از حلّال‌هاي فعلي هم بهتر در خود حل مي‌كند. حلاليت بهتر PFPE موجب كاهش تاثير رسوب و كريستاله شدن نمك‌ها بر روي الكترود‌ها مي‌شود كه افزايش طول عمر باتري را در پي خواهد داشت. هرچند هنوز هم تحقيق، توسعه و آزمايش‌هاي زيادي براي رسيدن به توليد انبوه نياز است، اما مي‌توانيد در آينده‌اي نه چندان دور منتظر باتري‌هاي ليتيومي غير قابل اشتعال باشيد.
شارژ سريع‌تر
يك گروه تحقيقاتي كه در دانشگاه متخصص نانگيانگ بر روي آند كار مي‌كنند، نوعي باتري ليتيوم يوني را توسعه داده‌اند كه ظرف مدت تنها ۲ دقيقه تا ۷۰ درصد شارژ شده و مي‌تواند بيش از ۱۰ هزار سيكل شارژ را تحمل كند. اين ويژگي هم براي صنعت موبايل و هم براي صنعت خودروهاي الكتريكي به شدت جذاب است. باتري ليتيوم يوني مذكور به جاي استفاده از آند گرافيتي، از نوعي ژل استفاده مي‌كند كه از نانولوله‌هاي تيتانيوم دي اكسيد ساخته شده از تيتانيا تشكيل شده است. تيتانيا تركيبي طبيعي از تيتانيوم است كه بسيار ارزان بوده و به عنوان جزء اصلي كرم‌هاي ضد آفتاب استفاده مي‌شود. تيتانيا همچنين در بسياري از رنگدانه‌هاي طبيعي يافت مي‌شود و از آن حتي در شير خشك هم استفاده مي‌كنند.
به احتمال زياد تا عرضه‌ي تكنولوژي شارژ بسيار سريع تنها يكي دو سال فاصله داريم.
تيتانيوم دي‌اكسيد در گذشته هم به عنوان ماده‌ي مورد استفاده در آند آزمايش شده است، اما استفاده از آن به صورت ژلي از نانولوله‌ها، سطح فعال را به شدت افزايش داده و موجب جذب بسيار سريع‌تر يون‌هاي +Li توسط آند مي‌شود. تيم تحقيقاتي همچنين مشاهده كردند كه تيتانيوم دي‌اكسيد علاوه بر سرعت جذب بالا، يون‌هاي +Li بيشتري را نيز جذب مي‌كند و نسبت به گرافيت در برابر فرسوده شدن مقاوم‌تر است. توليد نانولوله‌هاي تيتانيوم دي‌اكسيد نسبتاً آسان است؛ تيتانيا با آب قليايي مخلوط شده و حرارت داده مي‌شود، سپس شسته شده و با اسيد رقيق مي‌شود و دوباره به مدت ۱۵ ساعت گرم مي‌شود. گروه تحقيقاتي اين كشف خود را پتنت كرده‌اند، پس قضيه جدي است و بايد طي يكي دو سال آينده منتظر ورود موبايل‌هايي با باتري‌هاي ليتيومي و قابليت شارژ سريع به بازار باشيم.
اما تا آن زمان، شركت‌هايي مثل كوالكام مشغول كار بر روي افزايش سرعت شارژ باتري‌هاي ليتيوم يوني فعلي هستند و با فناوري‌هايي مانند QuickCharge و استفاده از تراشه‌ي ارتباطي ورودي، ميزان شارژ را به حد اكثر مي‌رسانند؛ بدون اينكه صدمه‌اي به مدار داخلي دستگاه وارد شده و يا باتري بيش از حد جديد شود. تكنولوژي QuickCharge كوالكام را در موبايل‌هاي اچ‌تي‌سي وان ام۸، نكسوس ۶ و گلكسي نوت ۴ سامسونگ مي‌توان يافت. براي مشاهده‌ي ليست كامل دستگاه‌هايي كه از QuickCharge 2 استفاده مي‌كنند اينجا را ببينيد.
آندهاي ليتيومي
طرح شماتيك ارائه شده توسط دانشگاه استنفورد براي نشان دادن نحوه‌ي كار آندهاي ليتيومي
به تازگي گروهي از محققان دانشگاه استفورد با انتشار مقاله‌اي اعلام كردند كه موفق به كشف مهمي شده‌اند. كشف آن‌ها از اين قرار است كه با استفاده از لايه‌ي نازكي از نانولوله‌هاي كربني مي‌توان امكان استفاده از فلز ليتيوم به عنوان آند را فراهم كرد. اين امكان يك "معجزه" است؛ چرا كه آند ساخته شده از فلز ليتيوم ظرفيت ويژه‌اي ۱۰ برابر بيشتر از آندهاي گرافيتي فعلي دارد. آندهاي ليتيومي مورد آزمايش در گذشته تنها به بازده ۹۶٪ رسيده بودند و بعد از ۱۰۰ سيكل شارژ-دشارژ كارايي آن‌ها به ۵۰٪ افت مي‌كرد و اين به معناي ناكارآمدي آن‌ها در صنعت تلفن‌هاي همراه بود. اما تيم استنفورد موفق به نگه‌داشتن بازده بر روي ۹۹٪ پس از ۱۵۰ سيكل شده است.
البته آندهاي ليتيومي با چند اشكال عمده مواجه هستند؛ از جمله اينكه آند پس از چند سيكل شارژ و دشارژ به صورت شاخه‌اي رشد مي‌كند، و اشكال مهم‌تر اينكه در صورت تماس با الكتروليت امكان انفجار وجود دارد. لايه‌ي كربن قادر به غلبه بر هر دو اشكال است. هرچند كه گروه تحقيقاتي به هدفشان كه بازده كولومبيك ۹۹٪ است نرسيده‌اند، اما بر اين باورند كه چند سال تحقيق و توسعه‌ي بيشتر براي يافتن الكتروليتي جديد و بهبود‌هايي در مهندسي ساخت، راه رسيدن باتري آن‌ها به توليد انبوه و بازار را هموار خواهد كرد. اگر به جزئيات متخصص كار تيم استنفورد علاقه داريد، مي‌توانيد مقاله‌‌ي بسيار جذاب و خواندني آن‌ها (كه پر از تصاوير جالب است) را از اينجا دانلود كنيد.
باتري‌هاي ليتيومي انعطاف‌پذير
باتري‌هاي ليتيومي فعلي به هيچ وجه انعطاف‌پذير نيستند و تلاش براي خم كردن آن‌ها مي‌تواند منجر به تغييرات نامطلوب ساختاري در آند شده و ظرفيت باتري را به طور دائمي كاهش دهد. باتري‌هاي انعطاف‌پذير براي گجت‌هاي پوشيدني و ديگر محصولات منعطف عالي هستند. بهترين مثال براي متخصصد باتري‌هاي انعطاف پذير، استفاده از آن‌ها در بند چرم ساعت هوشمند است كه موجب انقلابي در عمر باتري ساعت‌هاي هوشمند مي‌شود.
به تازگي ال‌جي يك صفحه‌نمايش OLED با قابليت لوله شدن را به نمايش گذاشته است. به اين معني كه هم نمايشگر و هم مدارهاي به كار رفته در آن انعطاف پذير هستند. تنها جزئي كه قابليت خم شدن ندارد تا با ديگر اجزاء همراه شود باتري است. ال‌جي با ارائه‌ي تلفن همراه جي فلكس نمونه‌اي از باتري‌هاي قابل "خم" شدن را به نمايش گذاشت. در فناوري مورد استفاده توسط ال‌جي سلول‌هاي باتري به صورت انباشته به كار گرفته شده بودند تا از هرگونه تغيير شكل جلوگيري شود. اين باتري نزديك‌ترين چيز به باتري "انعطاف پذير" است كه تا به حال در مقياس تجاري به آن دست يافته‌ايم.
نمايشگر OLED ال‌جي به حدي منعطف است كه مي‌توانيد آن را لوله كنيد.
اوايل امسال شركتي تايواني به نام "پرولوگيوم" توليد باتري‌هاي منعطف ليتيوم پليمر سراميكي خود را آغاز كرد. باتري مذكور به شدت نازك است كه آن را براي استفاده در محصولات پوشيدني به گزينه‌اي ايده‌آل تبديل مي‌كند. برتري آن نسبت به باتري‌هاي ليتيوم پليمري فعلي امنيت به شدت بالاي آن است. شما مي‌توانيد آن را بريده، سوراخ كرده و كوتاه كنيد و در مقابل، باتري مورد مباحثه نه دود مي‌كند و نه آتش مي‌گيرد. اما نقطه ضعف‌هاي آن ارزش بسيار بالا (به دليل فرآيند سخت توليد) و ظرفيت شديداً پايين آن است. احتمالاً تا اواخر سال ۲۰۱۵ نمونه‌هايي از آن را در برخي دستگاه‌هاي گران ارزش و كم مصرف خواهيد ديد.
گروهي ار محققان آزمايشگاه ملي شنگ‌يانگ چين به پيشرفت‌هايي در دستيابي به جايگزين‌هاي منعطف براي تك‌تك اجزاي باتري‌هاي ليتيوم يوني دست پيدا كرده‌اند، اما هنوز هم مقدار زيادي تحقيق و توسعه تا عرضه‌ي تجاري چنين باتري‌هايي فاصله است. برتري باتري چيني‌ها نسبت به باتري ليتيوم پليمر سراميكي تايواني‌ها در ارزش كمتر توليد آن است، اما تكنولوژي چيني‌ها براي برتري كامل مي‌بايست قابل اجرا بر روي تمامي انواع باتري‌هاي ليتيومي، مانند باتري‌هاي ليتيوم سولفور باشد.
باتري‌هاي ليتيوم-سولفور
از باتري‌هاي ليتيوم يون و ليتيوم پليمر كه بگذريم، دو نوع باتري مبتني بر ليتيوم با ويژگي‌هاي اميدوار كننده وجود دارند: باتري‌هاي ليتيوم-سولوفور (Li-S) و باتري‌هاي ليتيوم-هوا (Li-air). باتري‌هاي ليتيوم سولفور از مواد شيميايي مشابه باتري‌هاي ليتيوم يوني بهره مي‌گيرند؛ با اين تفاوت كه فرآيند شيميايي در آن‌ها شامل واكنشي دو الكتروني بين يون‌هاي +Li و سولفور است. باتري‌هاي ليتيوم سولفور جايگزين بسيار مناسبي براي تكنولوژي فعلي باتري‌ها محسوب مي‌شوند؛ چرا كه توليد آن‌ها به اندازه‌ي باتري‌هاي ليتيومي فعلي آسان است، ظرفيت بالاتري دارند و همچنين حلّال به كار رفته در آن‌ها بسيار فرار است، كه موجب كاهش شديد ريسك آتش‌سوزي ناشي از سوراخ شدن باتري مي‌شود. باتري‌هاي ليتيوم سولفور در شرف توليد هستند و در حال حاضر آخرين مراحل تست را پشت سر مي‌گذارند. شارژ و دشارژ غير خطي اين نوع باتري‌ها نيازمند مدار شارژ كاملاً جديدي است تا از تخليه‌ي سريع شارژ باتري جلوگيري كند.
باتري‌هاي ليتيوم-هوا
در باتري‌هاي ليتيوم هوا، كاتد سلول‌هاي باتري هوا است، يا به بيان دقيق‌تر اكسيژنِ موجود در هوا است. مشابه باتري‌هاي ليتيوم سولفور، فرآيند شيميايي باتري‌هاي ليتيوم-هوا هم شامل واكنشي دو الكتروني است، با اين تفاوت كه اين واكنش بين ليتيوم و اكسيژن رخ مي‌دهد. طي فرآيند شارژ يون‌هاي +Li به سمت آند رفته و باتري اكسيژن را از كاتد متخلخل آزاد مي‌كند. اين نوع باتري‌ها اولين بار در دهه‌ي ۷۰ ميلادي براي استفاده در خودروهاي الكتريكي پيشنهاد شدند.
باتري‌هاي ليتيوم-هوا بيشتر براي استفاده در خودروهاي الكتريكي مناسب‌اند.
از لحاظ انديشه متخصصيني، باتري‌هاي ليتيوم-هوا مي‌توانند چگالي انرژي بيشتري نسبت به بنزين داشته باشند؛ به عنوان مثال باتري ۲۶۰۰ ميلي آمپري ليتيوم يوني اچ‌تي‌سي ام۸ تنها قادر به ذخيره‌ي انرژي موجود در يك گرم بنزين است. عليرغم سرمايه‌گذاري عظيم بر روي باتري‌هاي ليتيوم-هوا، هنوز چالش‌هاي متخصص بسياري وجود دارند كه بايد بر آن‌ها غلبه كرد. از جمله مهمترين اين چالش‌ها نياز به الكترود و الكتروليت جديد است، چرا كه بهره‌وري كولومبيك اين نوع باتري‌ها بعد از تعداد انگشت شماري چرخه‌ي شارژ و دشارژ به شدت افت مي‌كند. استفاده از باتري‌هاي ليتيوم-هوا به دليل نياز به جريان دائمي هوا و تهويه، ممكن است هيچ وقت در تلفن‌هاي همراه عملي نشود، اما خيلي‌ها عقيده دارند كه استفاده از آن‌ها در بازار خودروهاي الكتريكي معجزه خواهد كرد، هرچند شايد يك دهه تا ديدن باتري‌هاي ليتيوم هوا در خودروهاي الكتريكي فاصله داشته باشيم.
باتري‌هاي منيزيوم-يون
از ليتيوم كه بگذريم، تحقيق بر روي باتري‌هاي منيزيم-يوني (Mg-ion) هم به شدت در جريان است. باتري‌هاي منيزيوم يوني قادر به ذخيره‌ي دو برابري انرژي الكتريكي نسبت به باتري‌هاي ليتيوم يوني هستند. يك تيم تحقيقاتي تايواني كه جديداً بر روي باتري‌هاي منيزيوم يوني پژوهش مي‌كنند در مصاحبه با وبسايت EnergyTrend اعلام كرده‌اند كه باتري‌هاي منيزيوم يوني آن‌ها ظرفيتي ۸ تا ۱۰ برابر بيشتر از باتري‌هاي ليتيوم يوني دارند و سيكل‌هاي شارژ و دشارژ آن‌ها ۵ برابر بهينه‌تر است. آن‌ها براي مثال به يك دوچرخه‌ي الكتريكي معمولي كه از باتري ليتيوم پليمر استفاده مي‌كند اشاره مي‌كنند. زمان شارژ اين دوچرخه برابر با ۳ ساعت است. در حالي كه باتري منيزيوم يوني با ظرفيت مشابه تنها به ۳۶ دقيقه زمان براي شارژ احتياج دارد. همچنين اين تيم تحقيقاتي ادعا مي‌كند با ساخت الكتروليت از غشاء منيزيم و پودر منيزيم قادر به بهبود پايداري باتري هستند. درست است كه هنوز چند سالي با عرضه‌ي باتري‌هاي منيزيمي به صورت تجاري فاصله داريم، اما نسبت به برخي گزينه‌هاي ديگر هنوز هم فاصله‌ي بسيار كمتري تا رسيدن به آن‌ها داريم.
باتري‌هاي هاليد-يون
باتري‌هاي هاليد-يون (با تمركز عمده بر روي كلريد و فلوريد) هم با انتقال يون‌ها كار مي‌كنند، با اين تفاوت كه اين بار بر خلاف يون‌هاي فلزي با بار مثبت كه در بالا به آن‌ها اشاره كرديم با يون‌هاي با بار منفي سر و كار داريم. اين به معناي معكوس شدن جهت شارژ و دشارژ است. پيشنهاد باتري‌هاي فلوئوري-يوني در مقاله‌اي در سال ۲۰۱۱ موجب آغاز تحقيقات گسترده بر روي آن در سطح جهان شد. اگر از شيمي دبيرستان به ياد داشته باشيد، يون فلوئور يكي از كوچكترين ذرات در سطح اتمي است، پس از لحاظ انديشه متخصصيني مي‌توان نسبت به ديگر عناصر تعداد بسيار بيشتري از آن را در كاتد ذخيره كرد و به ظرفيت خارق العاده‌اي دست يافت. چالش‌هاي متعددي وجود دارند كه محققان بايد قبل از عرضه‌ي اين تكنولوژي بر آن‌ها چيره شوند؛ از جمله اينكه فلوئورين به شدت واكنش پذير است و با الكترونگاتيوي بالاي خود تقريباً از هر چيزي الكترون مي‌گيرد. توسعه‌ي سيستم شيميايي مناسب براي اين نوع باتري‌ها احتياج به زمان دارد.
همكاري بين موسسه‌ي فناوري كارلسروهه در آلمان و دانشگاه متخصص نانجينگ چين منجر به ارائه‌ي طرح مفهومي نوع جديدي از باتري‌هاي قابل شارژ بر مبناي يون‌هاي كلريد شد. به جاي انتقال يون‌هاي فلزي مثبت، در اين باتري يون‌هاي منفي غير فلزي منتقل مي‌شوند. كلرين نسبت به فلوئورين از واكنش‌پذيري كمتري برخوردار است، اما از همان اشكال نبود سيستم شيميايي مناسب براي پايداري باتري رنج مي‌برد. پس منتظر ظهور باتري‌هاي هاليد-يوني تا حداقل يك دهه‌ي ديگر نباشد.
ابرخازن‌ها
خازن ساختاري مشابه باتري دارد، از اين مانديشه متخصصين كه مجموعه‌اي است داراي دو پايانه، با قابليت ذخيره‌ي انرژي در خود. اما تفاوت اصلي آن‌ها در اين است كه خازن بسيار سريع شارژ و تخليه مي‌شود. خازن‌ها معمولاً براي تخليه‌ي سريع الكتريسيته استفاده مي‌شوند. (براي مثال در فلش زنون دوربين). فرآيند شيميايي آهسته‌ي تخليه‌ي باتري‌هاي ليتيوم پليمري حتي به گرد پاي ابرخازن‌ها هم نمي‌رسد. علاوه بر اين‌ها باتري‌هاي ليتيومي و ابرخازن‌ها بر مبناي اصولي كاملاً متفاوت بنا شده‌اند. باتري‌ها بر اساس بالا بردن انرژي يك سيستم شيميايي كار مي‌كنند و خازن‌ها شارژ را بر روي دو صفحه‌ي فلزي كه توسط يك لايه از ماده‌اي عايق از هم جدا شده‌اند نگه مي‌دارند. شما حتي مي‌توانيد با استفاده از يك تكه كاغذ بين دو ورق فويل هم يك خازن بسازيد (هرچند نبايد انتظار داشته باشيد كه بتوانيد چيزي را با آن شارژ كنيد.)
هنگامي كه خازني را شارژ مي‌كنيد، جريان باعث مي‌شود الكترون‌ها بر روي صفحه‌ي منفي جمع شده و از صفحه‌ي مثبت دفع شوند. اين فرآيند تا زماني كه اختلاف پتانسيل دو صفحه برابر با ولتاژ ورودي شود ادامه مي‌يابد. تخليه‌ي يك خازن مي‌تواند به ميزان غير قابل تصوري سريع باشد. نمونه‌اي طبيعي از فرآيند تخليه‌ي خازن‌ها آذرخش است. در آذرخش قسمت زيرين ابر و سطح زمين مانند دو صفحه‌ي باردار فلزي عمل كرده و بين آن‌ها لايه‌اي از هوا به عنوان عايق قرار مي‌گيرد. ابرها ظرفيت بالايي براي ذخيره‌ي انرژي الكتريكي دارند و پتانسيل الكتريكي آن‌ها به ميليون‌ها ولت هم مي‌رسد. اختلاف پتانسيل ابر و زمين آنقدر زياد مي‌شود تا اينكه بالاخره به نقطه‌اي مي‌رسيم كه در آن هوا ديگر عايق مناسبي محسوب نشده و الكتريسيته را از ابر به زمين هدايت مي‌كند.
اشكال خازن‌ها اين است كه در حجمي برابر، قادر به ذخيره‌ي انرژيِ برابر با باتري‌هاي ليتيومي نيستند. (يعني چگالي انرژي آن‌ها از باتري‌هاي ليتيومي كمتر است.) اما چيزي كه آن‌ها را همچنان در ميدان رقابت سرپا نگه مي‌دارد و دانشمندان را به تحقيق بر روي آن‌ها علاقه‌مند كرده است، توانايي شارژ در تنها چند ثانيه است. تصور كنيد مي‌توانستيد موبايل خود را به جاي چندين ساعت تنها در عرض چند ثانيه شارژ كنيد. در اين صورت شايد مي‌توانستيم بر روي ظرفيت كم باتري موبايل خود چشم‌پوشي كنيم. ابرخازن‌ها با خازن‌هاي معمولي تفاوت دارند؛ چون به جاي استفاده از عايق‌هاي جامد متداول بر استفاده از سيستم‌هاي شيميايي تكيه دارند.
در آينده‌اي نسبتاً دور، بالاخره روزي فراخواهد رسيد كه بتوانيم با استفاده از ابرخازن‌ها تلفن خود را در عرض تنها چند ثانيه شارژ كنيم.
تحقيقات زيادي براي استفاده از گرافين و نانولوله‌هاي كربن به عنوان قطعات خازن در جريان است. دانشگاه سينگهوا بر روي نانولوله‌هاي كربن براي بهبود رسانايي نانوسيالات استفاده شده به عنوان الكتروليت در ابرخازن‌ها آزمايش مي‌كند. دانشگاه تگزاس هم در پي يافتن راهي براي توليد انبوه گرافين مناسب براي استفاده در ابرخازن‌ها است. از طرفي دانشگاه ملي سنگاپور هم در حال تحقيق بر روي استفاده از كامپوزيت‌هاي گرافين به عنوان الكترودهاي ابرخازن است. نانولوله‌هاي كربني خاصيت جالبي دارند؛ به اين صورت كه جهت‌گيري ساختار اتمي در آن‌ها تعيين كننده‌ي رسانا، عايق و يا نيمه رسانا بودن آن‌ها است. براي استفاده‌ي آزمايشگاهي، هم گرافين و هم نانولوله‌هاي كربني فوق‌العاده گران‌ارزش هستند. يك ورقه‌ي ۱در۲ سانتي متري گرافين ۲۱۸ دلار ارزش دارد و هر گرم از نانولوله‌هاي كربني هم ۹۳۸ دلار برايتان آب مي‌خورد. اين ارزش‌هاي بالا ناشي از فرآيند سخت توليد آن‌ها است.
ابرخازن‌ها فاصله‌ي زيادي تا استفاده‌ي تجاري دارند. نمونه‌هايي از آن‌ها در تلفن‌هاي هوشمند صرفاً براي نمايش تكنولوژي استفاده شده‌اند، اما دستگاه حاصله بسيار ضخيم بوده است. تكنولوژي ابرخازن‌ها قبل از معرفي به بازار نياز به كوچك‌تر و ارزان‌تر شدن دارد. جداي از اين‌ها چگالي بالاي انرژي الكتريكي خازن‌ها و قابليت تخله‌ي آني ابرخازن، خطر جدي آتش‌سوزي را هنگام استفاده در دستگاه به وجود مي‌آورد.
توصيه‌هاي عمومي براي بهبود عملكرد باتري‌هاي ليتيومي
سخن آخر
جدي ترين كانديداي نسل بعدي باتري‌هاي تلفن‌هاي هوشمند، باتري‌هاي ليتيوم-سولفور هستند. اين باتري‌ها تقريباً براي توليد انبوه آماده بوده و نتايج اميدوار كننده‌اي از لحاظ بهبود ظرفيت و ايمني از خود نشان داده‌اند. همچنين ارزش تمام شده‌ي توليد باتري‌هاي ليتيوم سولفور به نسبت ارزان است. از طرف ديگر، هنگامي كه آندهاي ليتيومي آماده‌ي توليد انبوه با ارزشي مناسب شوند، شاهد جهشي در طول عمر باتري‌ها خواهيم بود؛ چيزي كه ابزارهاي پوشيدني به شدت به آن نياز دارند. بيش از يك دهه تا مشاهده‌ي ابرخازن‌ها در تلفن‌ها و تبلت‌هايمان فاصله داريم، اما جاي نگراني وجود ندارد؛ چرا كه نانولوله‌هاي تيتانيوم دي‌اكسيد بسيار زودتر از ابرخازن‌ها فرا خواهند رسيد و زمان شارژ شدن دستگاه‌هايمان را چندين برابر بهبود خواهند داد. (البته اگر شركت‌هاي سازنده زير بار هزينه‌هاي اضافي توليد بروند.)
تكنولوژي‌هاي به كار رفته در باتري‌ها پيوسته در حال پيشرفت هستند. شايد نتوان درباره‌ي آينده با قطعيت انديشه متخصصين داد؛ اما اگر به اندازه‌ي كافي صبر كنيم، يك چيز قطعي است:
"ترس از خالي شدن سريع باتري، سرعت كند شارژ، عمر كوتاه و ظرفيت كم، همه تبديل به افسانه خواهند شد."
هم انديشي ها