گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
فناوری باتری سیلیکون کربنی با افزایش چشمگیر ظرفیت شارژدهی گوشیهای هوشمند در یک چرخه و امکان دوام تا دو روز، آینده باتری موبایل را رقم میزند.
در سالهای اخیر، موجی از گوشیهای هوشمند جدید با باتریهای پیشرفته سیلیکون کربنی راهی بازار شدهاند. شرکتهای بزرگ چینی نظیر آنر، اوپو و شیائومی از پیشگامان این تکنولوژی بودهاند و اکنون سامسونگ نیز با استفاده از فناوری سیلیکون کربنی در باتریهای گلکسی زد فولد ۸ و ۸ اولترا به این روند پیوسته است. این پیشرفتها نویدبخش شارژدهی بسیار بالاتر هستند، اما همزمان، پرسشهایی در مورد عمر مفید این باتریها و چگونگی عملکرد آنها مطرح میشود که در ادامه به آنها میپردازیم.
نگاهی کوتاه به عملکرد باتریها
باتریها اساساً از سه بخش آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شدهاند که بین این دو قرار میگیرد. در یک باتری کاملاً شارژشده، تمام الکترونها در آند ذخیره میشوند و سپس به آرامی به سمت کاتد حرکت میکنند. جریان الکترونها از طریق الکترولیت، مجموعهای از واکنشهای الکتریکی و شیمیایی را آغاز میکند که منجر به آزادسازی انرژی میشود. در طول زمان، همانطور که الکترولیت مواد لازم برای واکنش را از دست میدهد، ظرفیت باتری برای ذخیره انرژی کاهش مییابد.
باتریهای لیتیوم یون (Lithium-ion)
احتمالاً شما در حال خواندن این مقاله با دستگاهی مجهز به باتری لیتیوم یون هستید که در دو و نیم دهه اخیر در لوازم الکترونیکی مصرفی فراگیر شدهاند. این باتریها به دلیل وزن کم، چگالی انرژی بالا و قابلیت شارژ و دشارژ مکرر پیش از کاهش عملکرد، محبوبیت زیادی دارند. با این حال، به گفته دکتر روث سایرش، متخصص شیمی باتری و مدیرعامل شرکت AmpliSI، آندهای گرافیتی که سالهاست در این باتریها استفاده میشوند، اکنون به «عنصر محدودکننده عملکرد باتری» تبدیل شدهاند و سیلیکون به عنوان «رقیب جدی گرافیت» در نظر گرفته میشود.
- ۱۲ فناوری باتری که آینده انرژی را در دهه آینده تغییر میدهند
- افشای ترفند پنهانکاری سازندگان گوشیهای اندروید درباره عمر باتری در سال ۲۰۲۶
باتری سیلیکون کربنی (Silicon Carbon Batteries)
نام باتری سیلیکون کربنی ممکن است کمی گمراهکننده باشد؛ چراکه این باتریها همچنان از مواد مبتنی بر لیتیوم برای کاتد استفاده میکنند و تمام آند نیز از سیلیکون کربن ساخته نشده است. در واقع، تنها درصد کمی از سیلیکون کربن با گرافیت موجود در سلولها ترکیب میشود. سامسونگ و دیگر سازندگان گوشیهای هوشمند نیز همین رویکرد را در پیش گرفتهاند. حتی در صفحه محصول گوشیهای گلکسی زد فولد ۸ و زد فولد ۸ اولترا، سامسونگ نوع باتری را «لیتیوم یون» ذکر کرده، اما توضیح داده که برای بهبود چگالی انرژی، از مواد سیلیکون کربنی بهره برده است.
به گفته دکتر جوهو هیسکا (Dr. Juho Heiska)، مدیر تحقیق و توسعه در دانشگاه علوم کاربردی Seinäjoki فنلاند، افزودن سیلیکون چیز جدیدی نیست و تسلا (Tesla) نیز از سال ۲۰۱۶ مقادیر اندکی سیلیکون کربن به باتریهای خود اضافه کرده است. پیشرفتها در فرآیندهای ساخت و مهندسی شیمی، امکان ترکیب درصد بالاتری از سیلیکون کربن را فراهم کرده است. اگرچه ساخت این سلولها گرانتر است، اما هزینه واحد باتری در گوشیهای هوشمند (در مقایسه با باتری خودروهای الکتریکی) به میزانی نیست که مانع از استفاده آنها شود.
سامسونگ، بهعنوان یکی از بزرگترین تولیدکنندگان گوشیهای هوشمند که از سلولهای سیلیکون کربنی استقبال کرده، رویکرد محتاطانهای در پیش گرفته است. این شرکت به دنبال ساخت سلولهای فوقالعاده پرظرفیت چینی نیست، بلکه از مقادیر کمی سیلیکون برای کاهش اندازه باتری و در نتیجه سختافزار استفاده میکند. با این حال، سامسونگ معتقد است که این باتریها ممکن است سریعتر از نسلهای قبلی باتری لیتیوم یون فرسوده شوند. گزارشهای رگولاتوری اتحادیه اروپا نشان میدهد که این سلولها تنها ۱۲۰۰ چرخه شارژ دوام میآورند که کاهش قابل توجهی نسبت به ۲۰۰۰ چرخه نسل قبلی است.
مزایای استفاده از باتری سیلیکون کربنی
افزودن آند سیلیکون کربنی به باتریها مزایای بزرگی به همراه دارد. دکتر سایرش توضیح میدهد که «گرافیت حدود ۳۳۰ میلیآمپرساعت بر گرم ظرفیت دارد»، در حالی که «سیلیکون ظرفیتی ده برابر بیشتر از گرافیت ارائه میدهد.» واکنش الکتروشیمیایی در باتری سیلیکون کربنی که به آن آلیاژسازی میگویند، به لیتیوم اجازه میدهد تا بیشتر و بیشتر در سیلیکون ذخیره شود و این امر ظرفیت بسیار بالاتری را به ارمغان میآورد.
ظرفیت بیشتر به ازای وزن، به معنای باتریهایی با شارژدهی بالاتر اما حجم کوچکتر است. این مسئله توضیح میدهد که چرا باتری گوشیهای هوشمند ناگهان بدون افزایش ضخامت، ظرفیت شارژ بسیار بیشتری پیدا کردهاند. به عنوان مثال، وان پلاس ۱۵ تنها یکی دو میلیمتر از آیفون ۱۷ ضخیمتر است، اما باتری با ظرفیت ۷۳۰۰ میلیآمپرساعت دارد و در تستهای ما ۳۸.۵ ساعت دوام آورده است.
علاوه بر ظرفیت بالاتر، باتریهای سیلیکون کربنی قابلیت شارژ سریعتری نیز دارند. دکتر هیسکا اشاره میکند که «یکی از دلایل عدم شارژ سریع باتریهای گرافیتی این است که یونهای لیتیوم نمیتوانند به راحتی بین لایههای گرافیت نفوذ کنند.» اما سیلیکون سریعتر شارژ میشود و به فرآیند شارژ سریع کمک شایانی میکند. مزیت دیگر این است که سیلیکون ارزان، فراوان و به راحتی در دسترس است که برخی از خطرات ذاتی در دیگر شیمیهای باتری را از بین میبرد.
معایب باتریهای سیلیکون کربنی
مانند تمام فناوریهای جدید، باتریهای سیلیکون کربنی نیز دارای معایبی هستند که تا کنون مانع از پذیرش گسترده آنها شده است. دکتر هیسکا توضیح میدهد که «باتریهای سیلیکون کربنی شارژ سریعتر و ظرفیت کمی بهتر ارائه میدهند، اما عمر چرخه کوتاهتری دارند.» به زبان ساده، وقتی به یک ماده شارژ الکتریکی وارد میشود، باعث تغییر شکل و معمولاً افزایش حجم آن میشود. این موضوع زمانی که تلاش میکنید مواد را در یک شکل ثابت، مانند باتری گوشی هوشمند، جای دهید، ایدهآل نیست.
تمام باتریها مستعد این تغییر شکل هستند و میزان آن به مواد تشکیلدهنده سلول بستگی دارد. گرافیت در طول یک چرخه حدود ۱۰ درصد منبسط میشود، در حالی که سیلیکون تا ۴۰۰ درصد گسترش مییابد. این یکی از دلایلی است که ما باتری ساختهشده کاملاً از سیلیکون را نمیبینیم، زیرا «عمر مفید آن به قدری ضعیف خواهد بود که هیچکس آن محصولات را خریداری نمیکند.» دکتر سایرش اضافه میکند که تولیدکنندگان باید تعادلی بین ظرفیت و طول عمر پیدا کنند که مصرفکنندگان آن را بپذیرند. هدف، یافتن نسبت مناسبی از سیلیکون و گرافیت است که «افزایش بزرگی در انرژی ایجاد کند و در عین حال، طول عمر باتری را حفظ نماید.»
پروژههای مختلفی در حال انجام است تا کیفیت سلولهای سیلیکون کربنی را بهبود بخشد، از جمله ابداع فرآیندهای تولید متفاوت و ترکیب مواد اضافی مانند فلوروفسفاتها که ممکن است پایداری را بهبود بخشند. این بدهبستان بین ظرفیت باتری و طول عمر، گوشیهای هوشمند را به مکانی ایدهآل برای رشد این فناوری تبدیل کرده است. در هر حال، هنوز هم انتظار میرود که مردم دستگاههای خود را هر چند سال یکبار ارتقا دهند.