فناوری ابرخازن ها



اگر کمی با دانش الکترونیکی آشنایی داشته باشید، می‌دانید که خازن ها قطعاتی هستند که به منظور ذخیره کردن و سپس انتقال انرژی الکتریکی در مدارهای مختلف به کار می‌روند. این کارکرد تقریبا مشابه همان کاری است که باتری‌های معمولی انجام می‌دهند، پس چرا ما به جای باتری‌ها، از خازن‌ها در وسایل الکترونیکی استفاده نمی‌کنیم؟ این پرسشی است که در این مطلب قصد داریم به آن پاسخ دهیم و نگاهی داشته باشیم به یکی از فناوری‌هایی که احتمال دارد تا چند سال آینده، جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی شوند.

باتری‌ها در برابر خازن‌ها؛ تفاوت در چیست؟



باتری‌ها در تنوع بسیار بالایی از نظر شکل، اندازه و نوع مواد تشکیل‌دهنده تولید می‌شوند. باتری‌های قلمی، باتری خودرو، باتری کتابی، باتری ساعت، باتری اتمی و باتری‌های برقی قابل شارژ، تنها چند مورد از صدها نوع باتری در جهان هستند که احتمالا با آنها آشنا شده‌اید. البته باتری‌هایی که در گجت‌های الکترونیکی مدرن اطراف ما استفاده می‌شود، از نوع باتری‌های لیتیوم یونی هستند. این نوع باتری به دلیل چگالی انرژی بسیار بالایشان مورد استفاده قرار می‌گیرند. این به معنای آن است که کمپانی‌های سازنده به دلیل ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بالایی که در این نوع از باتری‌ها وجود دارد، می‌توانند آنها را در اندازه‌های کوچک، سبک و باریکی تولید کنند، در حالی که تمام نیازهای کاربران را برای چندین ساعت نیز پوشش می‌دهند.
حالا خازن‌ها بر خلاف اکثر باتری‌ها، قادر هستند که انرژی را با سرعتی بسیار بالا در خود ذخیره کنند (شارژ) و آن را با سرعت بالایی هم به محیط و یا دیگر قطعات رسانای مدار منتقل کنند (دشارژ). این دقیقا مشابه همان عملکردی است که در دستگاه‌هایی نظیر دستگاه شوک مشاهده می‌شود. حالا چرا از این قطعات بسیار کاربردی، به جای باتری اسمارت فون و یا دیگر گجت‌های الکترونیکی استفاده نمی‌شود؟

خازن‌ها ظرفیت بسیار پایینی نسبت به اندازه‌شان دارند


خازن‌ها نسبت به اندازه و حجمی که دارند، توانایی ذخیره‌ی انرژی پایینی را دارند. به طور مثال اگر قرار باشد شما خازنی را تولید کنید که توانایی ذخیره‌ی انرژی به اندازه‌ی باتری یک گوشی آیفون را داشته باشد، احتمالا برای جابجایی آن نیاز به یک وانت بزرگ خواهید داشت! بنابراین یکی از دلایل اصلی این که تولیدکنندگان به سراغ جایگزینی باتری‌های کوچک لیتیوم یونی با آنها نمی‌روند، همین توانایی کم در ذخیره‌ی انرژی است.
البته تفاوت‌های عمده‌ی دیگری نیز بین باتری‌ها و ساختار آنها با خازن‌ها مختلف وجود دارد، اما موضوعی که در بالا بررسی کردیم، مهمترین تفاوت آنها برای کارکرد مورد نظر ما در گجت‌های الکترونیکی با اندازه‌های کوچک و باریک است.

تکنولوژی ابرخازن وارد می‌شود
در این مرحله است که نیاز به تولید خازن‌هایی با ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بالاتر و البته در اندازه‌های بسیار کوچک‌تر از خازن‌های کنونی حس می‌شود. این خازن‌ها که به آنها ابرخازن (supercapacitor) گفته می‌شود، در واقع نسل آینده‌ی خازن‌ها خواهند بود که دارای ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بسیار بالایی بوده و البته در اندازه‌های بسیار کوچک و با خاصیت‌های جذابی تولید خواهند شد.
البته تکنولوژی تولید ابرخازن‌ها در حال حاضر به حدی نیست که بتوان از آنها در تولید اسمارت فون‌ها و یا دیگر گجت‌های الکترونیکی نیازمند به باتری قابل شارژ استفاده کرد، اما تلاش‌های تحقیقاتی صورت گرفته توسط چندین تیم مختلف در سراسر جهان، ما را به آینده‌ی این تکنولوژی امیدوار خواهد کرد. یکی از این تیم‌های تحقیقاتی در دانشگاه مرکز فلوریدا (UCF) در کشور آمریکا در حال فعالیت بر روی این موضوع است.
این تیم مجرب که چندی پیش نتایج برخی از تحقیقات خود بر روی ابرخازن ها را منتشر کردند، نشان داده‌اند که می‌توان این قطعات را در اندازه‌های بسیار کوچکی و البته با چگالی انرژی بالاتری تولید نمود. آنها برای رسیدن به این هدف، به سراغ استفاده از مواد تولید‌ شده تحت فناوری نانو رفته‌اند و نانومتریال‌هایی ساخته‌اند که ساخت ابرخازن در اندازه‌ی بسیار کوچک را برای ذخیره و انتقال انرژی ممکن می‌کند؛ جالب است بدانید که به طور مثال مواد به کار رفته برای اتصال قسمت‌های مختلف این ابرخازن‌ ها، ۱۰۰ هزار بار باریک‌تر از یک تار موی انسان هستند!


موضوع جذاب‌تر درباره‌ی تکنولوژی توسعه‌یافته توسط تیم تحقیقاتی دانشگاه UCF این است که ابرخازن تولید شده توسط آنها دارای قابلیت انعطاف است و البته قابلیت شارژ مجدد به اندازه‌ی ۳۰ هزار سیکل (دوره‌ی شارژ و دشارژ) را بدون هیچ مشکلی در اختیار مصرف‌کنندگان خواهد گذاشت. در تصویر بالا می‌توانید نمونه‌های اولیه از این ابرخازن را در دستان یکی از محققان این مرکز علمی مشاهده کنید؛ تصور کنید این قطعه‌ی بسیار کوچک و قابل انعطاف، قرار است جایگزین باتری‌های غول‌پیکر گجت‌های محبوبتان شود.

جایگزین کردن ابر خازن با باتری‌های فعلی چه سودی برای کاربران دارد؟
اگر تولیدکنندگان این ابرخازن ها را با باتری‌های فعلی اسمارت فون شما جایگزین کنند، شما قادر خواهید بود گوشی خود را در عرض کمتر از چند ثانیه شارژ کنید و البته تا بیش از یک هفته‌ی دیگر نیز نیازی به شارژ مجدد آن نخواهید داشت!

اینها توضیحات باورنکردنی و هیجان‌انگیزی هستند که توسط دکتر نیتن چودهری (Nitin Choudhary) در مقاله‌ای که به تازگی در نشریه‌ی دانشگاهی ACS Nano منتشر شده، ارائه شده‌اند. البته این صحبت‌ها همگی بر پایه‌ی علوم تایید شده و نتایجی است که نیتن و تیم تحت رهبری او به آنها دست یافته است، اما هنوز هم تا محقق شدن این آرزو زمان زیادی باقی مانده است و موانع متعددی وجود دارد که نیاز به برطرف کردن آنها قبل از ورود به فاز تولید، ضروری است.

با موانع پیش روی تکنولوژی ابرخازن آشنا شوید
همان‌طور که پیش از این گفتیم، هم خازن و هم ابرخازنها توانایی این را دارند که به سرعت شارژ شوند و البته به همان سرعت نیز انرژی ذخیره‌شده را تخلیه کرده و دشارژ شوند. این تخلیه‌ی ناگهانی در صورتی که از کنترل خارج شود، می‌تواند انفجارهای مهیبی را رقم بزند که فاجعه‌ی گلکسی نوت ۷ در برابر آنها مانند روشن کردن شمعهای کوچک بر روی کیک تولد کودکان به نظر خواهد رسید!

موضوع دوم این است که شارژ سریع این قطعات نیاز به منابع تامین انرژی بزرگی دارند. شارژ شدن ابرخازن ها در تنها چند ثانیه کاملا امکان‌پذیر است، اما برای رسیدن به این زمان کم، لازم است که یک منبع انرژی بسیار قدرتمند نظیر یک صاعقه در اختیار کاربران قرار بگیرد. اگر هم قرار به استفاده از شارژرهای معمولی باشد، با شارژرهایی با اندازه‌ی یک توپ فوتبال آمریکایی نیاز خواهید داشت!

البته امکان افزایش مدت زمان شارژ و رساندن آن به چند دقیقه هم وجود دارد، اما در آن صورت هم باز به شارژرهایی با اندازه‌ی منبع تغذیه‌ی یک لپتاپ نیاز است و این مطمئنا خیلی از کاربران را نسبت به استفاده از این فناوری دلسرد خواهد کرد.
قیمت بالا، مانع مهم دیگری است که بر سر راه به نتیجه رسیدن این تحقیقات وجود دارد. تا زمانی که تکنولوژی ساخت یک ابرخازن به حدی برسد که امکان جایگزینی آن با باتری‌های لیتیوم یونی فراهم شود، نیاز به تحقیقات و آزمایش‌های فراوانی داریم که تمام آنها نیازمند صرف وقت و هزینه‌ی بالایی هستند. در ضمن احتمالا بعد از به نتیجه رسیدن این فناوری نیز در ابتدا قطعات تولیدشده بر مبنای آن دارای قیمت بالایی خواهند بود و این می‌تواند قیمت تمام‌شده‌ی اسمارت فون‌ها و دیگر گجت‌های الکترونیکی حاوی آنها را بسیار بالا ببرد.
اما در نهایت باید این موضوع را هم در نظر بگیریم که این موانع به طور مشابه تقریبا بر سر راه تمام تکنولوژی‌های توسعه یافته توسط بشر وجود داشته است و باتری‌های لیتیومی، نمایشگر رنگی، صفحات لمسی، دوربین‌های باکیفیت و اندازه‌های کوچک نیز در سالهای نه چندان دور تنها بر روی تعداد محدودی از گجت‌های گران‌قیمت وجود داشتند، در حالی که امروزه کمتر دیوایسی از آنها محروم است.

بنابراین باید منتظر بمانیم و ببینیم که آیا فناوری تولید ابرخازن ها می‌تواند سرانجام جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی فعلی شود و یا خیر؛ اتفاقی که در صورت وقوع می‌تواند باعث ایجاد تحول شگرفی در اندازه، فرم طراحی و کارایی دیوایس‌های قالب حمل شود.