باتری ها، نیروگاه های کوچک برق

باتری ها، نیروگاه های کوچک برق، اختراع یک باتری بهتر می‌تواند باعث جهشی بزرگ در فناوری و البته رشد سریع جامعه شود. درست مثل همان جهشی که باتری‌های لیتیوم-یون ایجاد کردند. باتری‌های لیتیوم-یون از اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ مرسوم شدند و تقریبا دو برابر بهترین باتری‌های زمان خود ظرفیت داشتند. آن‌ها توانستند فناوری ارتباطات و نحوه‌ی تعامل مردم با یکدیگر را متحول کنند.

نیروگاه‌های کوچک برق

باتری‌ها در حقیقت نیروگاه‌های شیمیایی کوچک برق هستند. از نظر فنی، یک باتری مجموعه‌ای از دو یا تعداد بیشتری «سلول الکتروشیمیایی» است. انرژی آزاد شده از واکنش‌های شیمیایی جریانی از الکترون‌ها بوجود می‌آورد. هرچه انرژی تولید شده توسط واکنش‌های شیمیایی بیشتر باشد، شار الکترون‌ها هم بیشتر خواهد بود. جریان الکترون‌ها انرژی مورد نیاز دستگاه مورد نظر، از ساعت دیواری گرفته تا زنگ هشدار آتش‌سوزی ساختمان یا موتور یک خودروی برقی را فراهم می‌کند.

برای اینکه یک باتری بتواند دستگاهی برقی را به کار بیندازد، الکترون‌ها باید از طریق مداری که دو الکترود را به هم وصل می‌کند به جریان بیفتند. این الکترودها با نام آند و کاتد شناخته می‌شوند و بینشان ماده‌ای به نام الکترولیت قرار دارد. در آند، واکنش‌های شیمیایی اکسایش باعث آزاد شدن الکترون‌ها می‌شود. در کاتد، الکترون‌ها وارد واکنش‌های کاهش می‌شوند. الکترولیت کاری می‌کند که یون‌های تولید شده در واکنش‌های اکسایش-کاهش بتوانند بین دو الکترود رفت و آمد کنند و در نتیجه مدار کامل شود.

بسته به اینکه در ساخت الکترودها و الکترولیت از چه موادی استفاده شده، می‌توان باتری‌هایی ساخت که با اعمال جریان الکتریکی، واکنش‌های شیمیایی در آن‌ها به صورت عکس صورت بگیرد و بدین ترتیب شارژ شوند. پژوهشگرانی که در زمینه‌ی ساخت مواد لازم برای معجون الکتروشیمیایی باتری‌های قابل شارژ کار می‌کنند باید حواسشان جمع باشد که واکنش‌های ثانویه کار را خراب نکنند.

کِرَب‌تری می‌گوید: «آن واکنش شیمیایی که می‌خواهید وجود دارد. همانی که انرژی را ذخیره و آزاد می‌کند.» او ادامه می‌دهد: «ولی یک دوجین واکنش دیگر هم رخ می‌دهد.» این واکنش‌های ثانویه می‌توانند باتری را از کار بیندازند یا بدتر، منجر به یک فاجعه شوند. (چیزی مثل فاجعه‌ی سامسونگ گلکسی نوت ۷)

اولین مدل‌های باتری‌های لیتیوم-یون در دهه‌ی ۱۹۷۰ ساخته شدند و آند آن‌ها از لیتیوم خالص درست شده بود. در استفاده‌ی طولانی مدت، یون‌های لیتیوم از آند جدا می‌شدند و مثل یک زائده روی آن تجمع پیدا می‌کردند. طول این زائده به تدریج آن‌قدر زیاد می‌شد که به کاتد می‌رسید و باتری از درون دچار اتصال کوتاه می‌شد. در آند باتری‌های لیتیوم-یون امروزی گرافیت به کار رفته است و بنابراین یون‌های لیتیوم آزاد شده، بین لایه‌های اتم‌های کربن جمع می‌شوند.

باتری‌های لیتیوم-یون از ابتدا با هدف استفاده در وسایل الکترونیکی کوچک ساخته شدند. یعنی کسی به فکر طراحی باتری‌های لیتیوم-یون برای استفاده در خودروهای برقی یا ذخیره‌ی انرژی در شبکه‌های برق نبود. خودروهای برقی به انرژی الکتریکی زیادی احتیاج دارند و هنگام حرکت اولیه هم انرژی زیادی باید به موتور آن‌ها وارد شود. اکنون در خودروهای برقی از هزاران باتری لیتیوم-یون کوچک استفاده می‌شود که به طور متوسط می‌تواند انرژی آن‌ها برای طی مسیری در حدود ۳۲۰ کیلومتر را تامین کند. مشخص است که این میزان خیلی کمتر از مسافتی است که خودروهای بنزینی در هر بار پر شدن باک می‌توانند طی کنند. بعلاوه شارژ باتری‌های لیتیوم-یون معمولا آن‌قدر سریع‌ تمام می‌شود که نمی‌توانند برای ساعت‌های طولانی شبکه‌های برق بزرگ را تغذیه کنند.