باتری ها و پیشرفت های صورت گرفته برای افزایش عمر آنها

در سال ۲۰۰۹ میلادی که اپل طراحی مک بوک رو عوض کرد، همزمان، باتری تازه ای رو معرفی کرد که عمرش ۴۰ درصد بیشتر از نسخه قبلی بود.

در واقع عمر باتری اون مک بوک به هفت ساعت رسیده بود که واسه مشاهده دست کم دو فیلم کفایت می کرد. فیل شیلر، مدیر بازاریابی این شرکت در ادامه باتری مک بوک جدید رو «انقلابی» خواند. اما واقعا همینطور بود؟

پیشرفتای انجام شده در بخش تکنولوژی اونم ظرف بیست سال گذشته فوق العاده بودن. در این مدت، کامپیوترها از جعبهایی به درد بخور به وسایل چهار ضلعی باریکی بدل شدن که بدنه ای از جنس فلز و شیشه دارن و در داخل جیب هم جای می گیرن. این روزا، توان پردازشی ساعتای هوشمند از فضاپیمای آپولو هم بیشتره. اما باتریا داستان دیگری دارن.

در ادامه این مطلب با سایت ما همراه باشین.

تولید کنندگان دستگاه های الکترونیکی مصرفی، از اپل گرفته تا سامسونگ، تحقیقاتی چند میلیون دلاری رو در دست انجام دارن تا در صورت امکان، به عمر باتریا بیافزایند، با این همه، انتظار نمی ره که ظرف چند سال آینده پیشرفت زیادی در این دستگاه ها انجام بشه. اما این موضوع، اصلا جریان در حال افزایش عرضه دستگاه های براساس باتری رو تحت تاثیر خود قرار نمی ده.

اینکه به چه دلیل باتریا هنوزم پیشرفت زیادی رو به خود ندیده ان موضوع ایست که ذهن بسیاری رو به خود جلب کرده و جالبه بدونین که خیلی از محققان مدعی ان که دیگه به انتها و محدوده پیشرفت علم در این مورد رسیدن. در هر حال، دلیل هر چی که باشه، ما به عنوان مصرف کننده، حق داریم که بیشترین بهره رو از عمر باتری هامون ببریم.

دو راه انقلابی

واسه اینکه درک بهتری از روند فعلی پیشرفت باتریا داشته باشیم، بهتره نگاهی به گذشته و نقطه شروع ساخت این وسیله ها، موقعیت الان شون و چالشای پیش روی بندازیم.

مایکل سینکولا از شرکت Envia Systems (یه کار و کاسبی پیشرفته که در کالیفرنیا مستقره و در مورد ساخت باتری فعالیت می می کنه) در سال ۱۹۹۵ میلادی اعلام کرد که انرژی ذخیره شده در باتریا تا بیشتر از یه دهه آینده (یعنی سال ۲۰۰۷ میلادی) دو برابر نمی شه. از اون زمان تا الان این انرژی حتی سی درصد هم افزایش نداشته و بازم شرکت Envia باور داره که تا سال ۲۰۲۱ هم این اندازه دوبرابر نمی شه.

حالا اما عمر باتری یه لپ تاپ معمولی حدودا ۱۰ ساعته و از مقدار چهار ساعتی که در زمان تصدی پست ریاست جمهوری آمریکا به وسیله باراک اوباما به ثبت رسید به مراتب بیشتره. چیجوری همچین چیزی امکان داره؟

پیشرفتای بخش فناوری عموما از دو عامل جدا از هم سرچشمه می گیرن: تمایل بی اندازه و مرز واسه کوچیک کردن ابعاد هر چیز و بهبود روز افزون نرم افزاری واسه مدیریت کردن این موضوع.

مغزهای یه کامپیوتر در واقع همون میکروپردازنده هاش هستن؛ همون چیپایی که محاسبات سخت واسه ترسیم عکس رو انجام میدن و به فیسبوک کمک می کنن که روز تولد دوستتون رو به یاد بیاره.

چندین دهه هست که صنعت تلاش داره ابعاد پردازندها رو کم کنه و هر چی این تراشها کوچیک تر می شن، اندازه مصرف انرژی شون هم کمتر می شه و عمر کلی باتریا هم بهبود پیدا میکنه.

باتریا اما فرق دارن. اینا در واقع مجمموعه ای از فلزات و مواد شیمیایی هستن که وقتی به هم وصل می شن، الکتریسیته در اونا جریان پیدا میکنه. مشکلی که در مورد شیمی هست اینه که کوچیک شدن، همیشه باعث بهتر شدنش نمی شه. اونو مثل نوشابه در نظر بگیرین. اگه اندازه کمتری نوشابه رو درون لیوان خود بریزین، فقط از حجم و اندازه اش کم کردین و اتفاق دیگری رخ نمیده.

تا به امروز، پیشرفتای قابل توجه در مورد باتری از کاربرد مواد جدید در ساخت اونا ناشی شده و عمر باتریای مصرفی از وقتی شروع به بیشتر شدن کرد که به جای نیکل (یه جور فلز مورد استفاده در اونا) از لیتیوم بهره بردن.

جون گوداناف یکی از محققان و محققان سرشناس در پیشرفت باتریای مدرن در این باره میگه: تحقیقاتی که حالا انجام می شن عموما به بهتر شدن کارکرد باتریای لیتیومی مربوط می شن. اون میگه: جدول تناوبی محدوده و رسیدن به هرگونه پیشرفت با به کار گیری عناصر این جدول هم مرتبا سخت تر می شه.

البته از وقتی که گود اناف در سال ۱۹۷۹ میلادی از کشفای قابل توجهش در مورد ساخت باتری خبر داد تا به امروز، افراد بیشتری تلاش دارن تا مشکلات مربوط به این بخش رو حل و فصل کنن، با این همه، محققان تقریبا هر ماده ای رو مورد بررسی قرار دادن و از نظر مواد اولیه واسه بهبود کارکرد باتریا با مشکل روبرو هستن.

موبایلی که به جای یه روز، یه هفته دووم بیاره، نیازمند تکنولوژی جدید و بسیار پیشرفته ایست که هنوز ارائه نشده. گود اناف عقیده داره که روش هدف دار لازم واسه قدم بعدی، هنوزم تدوین نشده.

راه منتهی به لیتیوم

گذشته باتریای مدرن به قرن ۱۸ میلادی برمیگرده یعنی وقتی که محققان با وارد کردن یه میله فلزی به داخل ظرفی از آب نمک که با فویل هم پوشونده شده بود، تلاش کردن الکتریسیته ساکن رو کنترل کنن. کافی بود سمتی از ظرف رو با یه دست و سمتی از میله رو هم با دست دیگه خود لمس کنن تا کار انجام شه.

هنری شلزینگر در کتاب خود با عنوان: «باتری: چیجوری انرژی قابل حمل یه انقلاب تکنولوژیکی رو رقم زد» به توصیف دانشمندانی می پردازه که با اینجور دستگاه هایی کار کردن. یکی از پیشتازان این بخش شاعری به نام Percy Bysshe Shelley بود. اون در دوران جوونی خود با کمک خواهرش آزمایشاتی رو در این مورد انجام داد و حتی الهام بخش همسرش ماری شد که از الکتریسیته در طرح رمان خود با نام فرنکشتاین استفاده کرد.

کمی قبل اینکه مردم رمان ماری رو بخونن، الساندرو ولتا اولین باتری پرکاربرد دنیا رو که پیل ولتایی خونده می شد به وجود آورد. اون واسه این منظور صفحاتی از روی و مس رو که از راه یه تیکه پارچه از هم جدا شده بودن روی همدیگه قرار داد و اونا رو درون آب نمک گذاشت.

امروزه، تغییر چندانی در ساختار باتریا اعمال نشده. کافیه یکی از اونا رو به دو نیم تقسیم کنین تا ماده ای ساخته شده از فلز مثل لیتیوم رو در اونا ببینین که تو یه سو قرار گرفته و ماده ای دیگه (عموما کربن) که در سمت دیگه س. بین این دو ماده هم چیزی مثل پارچه ایست که ولتا ۲۰۰ سال پیش استفاده کرد: یه جور پلاستیک که پوششی از ژل یا یه جور مایع داره که واسه جلوگیری از بروز عکس العمل شیمیایی میان فلزات درون باتری در نظر گرفته شده اما این ژل بازم اجازه حرکت کردن رو به ذرات اتمی میده.

وقتی سیمی در یکی از جهتای باتری لمس می شه، جریان برقرار شده و الکترونا شروع به حرکت می کنن و همین موضوع باعث روشن شدن لامپا و یا خروج صدا از اسپیکرها می شه.

در دستگاه های امروزی، محبوب ترین باتری قابل شارژ استفاده میشن و اون چیزی نیس جز شکلای جور واجور لیتیومی یونی که حدودا بیست سال ای می شه به دستگاه های الکترونیکی راه پیدا کرده.

جوش و خروش در بازار

باتریا نیروی زندگی فناوری هستن. براساس برآورده های انجام شده به وسیله شرکت مشاوره Avicenne Energy در سال ۱۹۹۰ میلادی، درست همون وقتی که باتریای لیتیومی یونی تازه وارد بازار می شدن، درخواست جهانی واسه اونا به حدود ۲۰۰ هزار مگاوات ساعت رسید. این رقم برابر با ۴۴٫۴ میلیارد عدد باتری قلمی لیتیومی انرجایزر یا انرژی لازم واسه چرخاندن زمین تا ۵۷ مرتبه س.

در سال ۲۰۱۳، یعنی حدودا بیست سال بعد، اندازه درخواست واسه این انرژی دو برابر شد. شرکت Lux Research پیش بینی کرده که هزینه های صرف شده روی باتریا تا سال ۲۰۲۰ میلادی به رقم ۲۶٫۶ میلیارد دلار می رسه که سی درصد بیشتر از اندازه برآورد شده فعلیه.

البته قسمت بزرگی از این رقم به موبایلا و تبلتا مربوط می شه که پیش بینی شده اندازه فروش هر دویشان ظرف شش سال آینده افزایشی ۴۵ درصدی رو تجربه کنه. هزینه های صرف شده واسه بهبود باتریای مورد استفاده در وسایل حمل و نقل عمومی مثل خودروهای سواری هم افزایشی دو برابری رو تجربه کرده و به رقم ۲۰٫۹ میلیارد دلار می رسه.

با در نظر داشتن همین بودجه هنگفت، خیلی از محققان شدیدا تلاش دارن تا باتریا رو بهتر کنن که بدیش اینه بازم پیشرفتای کمی در این بخش حاصل گردیده و نکته دیگه اینکه، تقریبا همه این تلاشا صرف اتومبیلا و شبکه های پخش برق شده.

واسه نمونه، غول فناوری دنیا یعنی IBM تیمی تشکیل شده از چندین دانشمند رو در تاسیسات Almaden واقع در سن خوزه کالیفرنیا داره که به صورت اختصاصی روی فناوری باتری کار می کنن.

در سال ۲۰۰۹ میلادی، این شرکت وعده داد که بودجه ای بالغ بر ۵۰۰ هزار دلار و هم اینکه گروهی از محققان خود رو واسه کار کردن روی پروژه ای با عنوان باتری ۵۰۰ اختصاص میده: تلاشی واسه ساخت باتریایی که می تونن انرژی لازم یه ماشین تا فاصله ۵۰۰ مایلی رو تامین کنن.

اما یکی از تکنولوژیای کلیدی واسه محقق کردن این مهم، ساخت باتریای لیتیومی- هواییه. در واقع IBM می خواد به جای تکیه بر کربن و دیگه فلزات (که در باتریای لیتیومی یونی استفاده میشن)، محفظه ای رو از هوا پر کنه و این هوا با لیتیوم درون محفظه وارد تعامل شده و الکتریسیته تولید کنه. اگه اونا موفق به انجام اینجور کاری شن اون وقت وزن باتریا به صورت بالقوه به نصف کم میشه.

اما یه مانع مهم بر سر راه محققان قرار داره: پایدار نگه داشتن انرژی و جفت و جور کردن امکان شارژ دوباره ین باتریا، نیازمند هوای پاکه اما هوایی که ما تنفس می کنیم مملوه از آلودگی و آب.

وینفرید ویلک، پژوهشگر ارشد تیم تحقیقاتی IBM در این باره میگه: واسه تصفیه هوا به ماشین آلاتی نیاز میشه و همین موضوع بر ابعاد، وزن و پیچیدگی باتریا اضافه می کنه.

محققان موسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه تگزاس هم به مواد دیگری مثل سیلیکون، سولفور و سدیم واسه این منظور فکر می کنن اما خیلی از تیمای پیشرفت و تحقیق، هدف اول خود از انجام این تحقیقات رو ماشینا می دونن و بخاطر این شاید چندین سال تا ورود این باتریا به دستگاه های الکترونیکی مصرفی زمان باقی مونده باشه.

در مورد تلاشای انجام شده واسه بهبود باتریای لیتیومی یونی هم باید بگیم که محققان دانشگاه استنفورد در ماه جولای از ساخت یه جور باتری با به کار گیری لیتیوم خالص خبر دادن که می تونه انرژی بیشتری رو در خود نگه داره. اما این باتری تا مرحله کمال و پختگی هنوزم راه درازی رو در پیش داره.

بعضی از محققان هم مدعی ان که پیشرفت در مورد ساخت باتریا به پایان خود رسیده و دیگه از این بهتر ممکن نیس. افراد دیگری مثل بیل واتکینز سرپرست کار و کاسبی  Imergy Power Systems اما امیدوارتر هستن. اون میگه: هیچ وقت فارغ التحصیلان مقطع دکتری رو که به یه عالمه از پول دسترسی دارن دست کم نگیرید.

کنار اومدن با واقعیتای امروز

خبر خوب اینه که شرکتا کم کم راه های جدیدی رو واسه افزایش عمر باتریا ایجاد می کنن و در عین حال منتظر تکنولوژیای جدید در این بخش هستن.

در اپل، خیلی از این پیشرفتا به واسطه نرم افزار حاصل می شن. سیستم عامل OS X Mavericks که در سال ۲۰۱۳ میلادی عرضه گردید، می تونه تشخیص بده که در چه مواردی کاربران کامپیوتر چندین برنامه باز شده دارن و از کدوم یکی استفاده نمی کنن. در مرحله بعدی، دستگاه  به صورت منظم توان پردازشی اختصاص یافته به برنامه هایی که پشت زمینه اجرا می شن رو کم می کنه و واسه نمونه اگه فیلمی در حال پخش شدن از یوتوب باشه، به روزرسانی تصویری متوقف شده و فقط به پخش صدا اکتفا می شه.

در داخل سیستم عامل این شرکت یه جور تکنولوژی نهفتهه که با عنوان «Timers» ازش صحبت به میون میاد. این فناوری در اصل چیپای کامپیوتر رو از وضعیت مصرف پایین در می آورد و اینطوری می تونن کارای مشخصی رو بکنن.

تیم نرم افزاری اپل در زمان پیشرفت Mavericks به این نتیجه رسیدن که تعداد این تایمرها بیشتر از اندازه زیاده و به خاطر همین سیستم مرتبا بیدار می شه. اونا در ادامه موفق شدن که اندازه فعالیت پردازنده رو به اندازه ۷۲ درصد کم کنن و در نتیجه بر اندازه بهره وری سیستمای مک بیافزایند.

در سالی که گذشت OS X Yosemite از طرف اپل منتشر شد که امکانات اون واسه مصرف بهینه باتری حتی از اینم بیشتره. به لطف یکی از تغییرات اعمال شده در این سیستم، باتری مک بوک ایر در زمان پخش فیلمای فول اچ دی دو ساعت بیشتر دووم می آورد.

شرکتای دیگری غیر از اپل هدفی مشابه رو در قبال دستگاه های موبایل در پیش گرفتن. واسه نمونه سامسونگ مدی به نام ultra power-saving رو به دستگاه هاش آورد که عمر باتری موبایل گلکسی اس ۵ رو به ۱۲٫۵ روز زیاد می کنه.

این مد پس از فعال شدن، رنگای نمایشگر رو به مشکی و خاکستری تغییر میده و علاوه بر این، محدودیتایی رو هم روی اپلیکیشنا، تماسای تلفنی، فرستادن پیام و وبگردی کاربر اعمال می کنه.

بعضی شرکتا مثل Samsung SDI هم تلاش دارن تا باتریایی ایمن تر و قابل اطمینان تر تولید کنن. در واقع سامسونگ مشغول کار روی نوع جدیدی از باتری هاست که ژل و مایعاتی که امروزه در اونا به کار میره رو با فلزات جانشین کنه. این شرکت امید داره که با این روش بر اندازه ایمنی باتریا اضافه کنین و از خطرات احتمالی شون کم کنه.

اپل هم در تلاشه تا اندازه باتری بیشتری رو در داخل دستگاه های خود جای دهد. در سال ۲۰۰۹ میلادی، شیلر از پیشرفتای قابل توجه در عمر باتری مک بوکا خبر داد و نشون داد که چیجوری میشه باتریای چهارگوش با شکل یکنواختشان رو با انواعی جانشین کرد که شکلی مثل قطعه های پازل دارن و می تونن از بیشترین حد فضای موجود تو یه دستگاه بیشترین بهره رو ببرن.

به عنوان بخشی از این طرح جدید، کاربران هم اینکه دیگه امکان تعویض باتری دستگاه های خود رو پیدا نمی کردن. با این کار فضای اختصاص یافته واسه قرار گرفتن باتری و پوشش محافظ اون، آزاد می شد و فضای بیشتری واسه نوآوری مهندسان این شرکت ایجاد می شد.

                                                    .

Post Author : edame

Related Post

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *