همه چیز در مورد ساختار و نحوه عملکرد باتری موبایل و علت انفجار برخی از آنها

کلیک - طراحی ساختار باتری گوشی ها موضوع واقعاً مهمی است. زمانی که گلکسی نوت ۷ سامسونگ عرضه شد، عمر باتری آن مورد توجه همه قرار گرفت و همه سامسونگ را به خاطر اینکه بهترین باتری را در گلکسی نوت ۷ به کار برده است، تحسین کردند و حتی باتری این گوشی توانست از باتری رقبای اصلی خود یعنی آیفون ۶ اس و آیفون ۷ پلاس نیز پیشی بگیرد؛ اما پس از گذشت مدت زمانی از عرضه این گوشی، باتری چندین دستگاه از این گوشی منفجر شد و سامسونگ برای جمع آوری و جایگزینی گوشی های عرضه شده، فراخوانی صادر کرد و گوشی های جدید گلکسی نوت ۷ را جایگزین گوشی های سری قبل کرد. اما بخت باز هم با سامسونگ یار نبود و باتری گوشی های جدید گلکسی نوت ۷ نیز دوباره منفجر شد و در نهایت سامسونگ مجبور شد فعالیت خط تولید این گوشی را به حالت تعلیق درآورد.

این اتفاق بسیار بد برای گلکسی نوت باعث شد اقدامات شرکت های دیگر سازنده گوشی نیز در جهت افزایش عمر باتری محصولات خود متوقف شود. امروزه سرعت پردازنده های گوشی ها تقریبا هر ۱۸ ماه دو برابر می شود که طبیعتاً باعث افزایش مصرف باتری آن ها نیز می شود؛ اما ظرفیت باتری گوشی ها تقریبا یک دهه است که ثابت باقی مانده است و تغییری نکرده است. این فاصله بین باتری و پردازنده ها باعث شده است شارژ باتری ها در مدت کوتاهی تمام شود. سامسونگ قصد داشت در گلکسی نوت ۷ این مشکل را برطرف کند؛ اما تلاش سامسونگ برای عرضه باتری جدید با عمر مفید بالاتر برای این شرکت گران تمام شد و مسبب اتفاقات جبران ناپذیری شد. هر چند سامسونگ برای برطرف کردن مشکل باتری این بمب ساعتی حداکثر تلاش خود را کرد؛ اما باز هم با شکست مواجه شد.

عمر باتری گوشی های هوشمند جدید معمولا کمتر از یک روز است و عمر باتری لپ تاپ ها نیز حداکثر چندین ساعت است و باتری خودروهای برقی نیز قادر هستند نیروی این خودروها را حداکثر تا مسافتی در حدود ۵۶۰ کیلومتر تأمین کنند. دلیل این که عمر باتری هنوز یک مشکل بزرگ است، چیست؟ دانشمندان چه زمانی می توانند این مشکل را برطرف کنند. در ادامه با ما همراه باشید تا به پاسخ این سوالات برسید.

ساختار باتری های موبایل چگونه است؟

باتری گوشی ها دربردارنده انرژی شیمیایی است و زمانی که گوشی به برق متصل می شود، برق برای شروع مجدد واکنش مواد شیمیایی با باتری مورد استفاده قرار می گیرد و الکترون ها از قطب منفی (آند) باتری به قطب مثبت آن (کاتد) انتقال داده می شوند.

هنگامی که شارژ باتری پایان یافت، باتری با هدایت الکترون ها در یک مدار، برق تولید می کند؛ اما این بار الکترون ها از قطب مثبت به قطب منفی انتقال داده می شوند و این فرایند تا زمانی که تمام الکترون های موجود در باتری انتقال داده شوند و یا یک سوییج داخلی در باتری جریان را قطع کند، ادامه پیدا می کند.

باتری از چه موادی تشکیل شده است؟

باتری از یک آند و یک کاتد و همچنین الکترودها که وجود آن ها برای انتقال یون های مثبت لازم است، تشکیل شده است.

یک باتری لیتیوم یونی که امروزه در بسیار از گوشی های هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد، از کاتد اکسید فلزی متشکل از عناصر نیکل، کبالت، منگنز و ترکیب آهن و همچنین آند متخلخل گرافیتی که بردارنده لیتیوم یون ها است و یک الکترولیت نمک لیتیوم تشکیل شده است.

در باتری موبایل لیتیوم یون ها با بار مثبت از طریق الکترولیت از قطب منفی باتری به قطب مثبت آن انتقال داده می شوند و به این صورت الکترودها در مدارهای موبایل جریان پیدا می کنند و سپس دوباره به قطب منفی باتری باز می گردند.

چرا در برخی از موارد عمر باتری به اندازه کافی نیست؟

شاید این طور به نظر برسد که اصل کلی که در ساخت باتری مورد استفاده قرار می گیرد، ساده باشد؛ اما فناوری مورد استفاده و همچنین ترکیب مواد شیمیایی مورد استفاده در باتری ها ساده نیست. عامل اصلی محدود کننده ظرفیت باتری ها، چگالی انرژی آن ها است.

حداکثر توان باتری ها در تولید برق، با حداکثر ظرفیت ذخیره سازی انرژی در عناصر شیمیایی آن برابر است و امکان تولید برق بیشتر از این میزان وجود ندارد. اجزای زیادی در باتری وجود دارند که در جریان تولید و ذخیره سازی انرژی هیچ نقشی ندارند که شامل خود قاب باتری، تراشه های کنترل کننده و سیم های انتقال دهنده جریان برق می شود، درواقع آن ها فقط بخشی از باتری را اشغال می کنند و باعث افزایش وزن آن می شوند و هیچ نیرویی تولید نمی کنند.

چگالی انرژی یک باتری لیتیوم یونی معمولی موبایل در حدود ۱۵۰ وات در هر کیلو گرم است. با وجود اینکه چگالی انرژی در باتری یون لیتیومی از زمان پیدایش آن از دهه ۱۹۹۰ تاکنون پیشرفت زیادی داشته است، اما پیشرفت خاصی در مورد ساختار و مواد تشکیل دهنده آن صورت نگرفته است.

با توجه به فناوری های حال حاضر در صنعت باتری سازی، در حال حاضر تنها راه افزایش عمر مفید باتری های گوشی های هوشمند، بهینه سازی مصرف انرژی در گوشی ها و استفاده از باتری های بزرگتر است؛ اما با توجه به اینکه ضخامت گوشی های هوشمند به تدریج در حال کاهش است، ضخامت باتری ها نیز باید به تبع آن کاهش پیدا کند.

چرا عمر باتری بر اثر استفاده مکرر به تدریج کاهش پیدا می کند؟

عمر مفید باتری گوشی های هوشمند پایدار نیست و با شارژ و تخلیه شدن مکرر باتری ، کاهش پیدا می کند.

دلیل این موضوع این است که مواد شیمیایی تولید کننده جریان الکتریسه باعث می شوند که لایه های نازک لیتیوم بر روی الکترودها قرار بگیرند که باعث می شود میزان کمتری از الکترودها برای تولید برق در دسترس باشند و از سویی دیگر مقاومت باتری نیز افزایش پیدا می کند.

هر چقدر مقاومت باتری افزایش پیدا کند، حفظ ولتاژ قابل استفاده برای باتری سخت تر می شود؛ بنابراین میزان برقی که در هر بار شارژ باتری می تواند تولید شود، کاهش پیدا می کند. شاید فرمول ولتاژ را از زمان مدرسه خود به یاد داشته باشد

جریان * مقاومت= ولتاژ

چرا برخی از باتری ها منفجر می شوند ؟

باتری هایی که میزان چگالی انرژی آن ها بیشتر از باتری های لیتیومی است، نیز در حال حاضر تولید می شوند؛ اما استفاده از آن ها در وسایل قابل حمل کار درستی نیست و می تواند خطرآفرین باشد.

هر چقدر انرژی بیشتری در یک باتری ذخیره شود، آن باتری خطرناک تر می شود. امنیت در ساخت باتری ها مهم ترین اصل است و کنترل حرارت باتری نیز بسیار ضروری است. اگر حرارت باتری به بیش از ۸۰ درجه سانتیگراد برسد، اتفاقی رخ می دهد که در اصطلاح به آن فرار گرمایی گفته می شود.

هنگامی که فرار گرمایی رخ می دهد، عناصر شیمیایی باتری شروع به تجزیه شدن می کنند و درست در همین زمان است که باتری منفجر می شود.

دلیل منفجر شدن باتری گوشی های گلکسی نوت ۷ هنوز کاملا مشخص نشده است؛ اما سامسونگ فقط به این مطلب اشاره کرده است که مشکل مربوط به سلول های باتری بوده است.

در صنعت باتری سازی چه اتفاقاتی رخ خواهد داد؟

به طور خلاصه باید گفت که محققان تلاش می کند فناوری های مورد استفاده در ساخت باتری های یون لیتیومی را بیشتر مطابق با محدودیت های نظری این باتری ها توسعه دهند و این اقدام منجر به افزایش چگالی انرژی باتری ها می شود.

در ساخت یک باتری یون لیتیومی معمولی و متداول، از لیتیوم اکسید منگنز استفاده می شود که چگالی انرژی آن از نظر تئوری ۲۸۰ وات در کیلوگرم است؛ اما چگالی انرژی باتری تولید شده تنها ۱۵۰ وات در هر کیلوگرم است، پس می بینیم که هنوز جای پیشرفت وجود دارد.

یکی از متخصصان امر معتقد است برای تقویت عمر باتری، ساختار درونی آن باید تقویت شود. طبق گفته های او اگر بخواهیم ساختار باتری را به صورت ساده توضیح دهیم، باید بگوییم که باتری دربردارنده فضایی متخلخل پر از مواد فعال است.

وی در ادامه گفته های خود افزود: "اگر بخواهیم نیروی بیشتری توسط باتری ها تولید شود، برای افزایش ناحیه سطحی نیازمند فضای متخلخل بیشتری هستیم و هنگام انتقال یون های لیتیوم نیز باید این امکان را فراهم کنیم که در هر بار تعداد بیشتری از آن ها انتقال داده شوند؛ اما به دلیل اینکه فضایی متخلخل با سوراخ های بیشتر، مواد فعال کمتری را می تواند در خود جای دهد، ظرفیت باتری نیز کاهش پیدا خواهد کرد".

در حال حاضر چند شرکت انگلیسی در حال کار کردن بر روی باتری های شیمیایی جدید و پیشرفته مانند باتری لیتیوم گوگرد و لیتیوم سیلیکونی و همچنین توسعه فناوری های مربوط با این نوع باتری ها هستند.

آینده صنعت ساخت باتری چگونه خواهد بود؟

احتمالا در آینده باتری های با حالت جامد، یکی از انواع باتری مورد استفاده خواهند بود. در این نوع باتری ها الکترولیت جامد جایگزین الکترولیت مایع می شود که باعث کاهش خطر باتری می شود.

یکی از مزایای باتری های لیتیوم یونی جامد این است که لیتیوم ها که دارای قدرت و چگالی انرژی واقعا خوبی هستند، می توانند به عنوان ماده آند به کار گرفته شوند؛ اما استفاده از لیتیوم مایع به این منظور کار خطرناکی است.

در باتری های لیتیوم یونی جامد نیازی به استفاده از آند کربن متخلخل نیست و این موضوع باعث می شود بخشی از باتری که هیچ نیرویی تولید نمی کند، حذف شود و در نتیجه وزن باتری نیز کاهش پیدا کند.

باتری های فلز - هوا که در ساخت آن ها از فلز روی، لیتیوم یا آلومینیوم استفاده می شود (باتری هایی هستند که جریان برق در آن ها از واکنش روی با اکسیژن هوا ایجاد می شود) نیز می توانند یکی دیگر از منابع تأمین انرژی وسایل الکترونیکی در آینده باشند؛ اما احتمالا این باتری ها ۲۰ سال دیگر به صورت انبوه تولید می شود و مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

چگونه می توان عمر مفید باتری ها را تا حدودی افزایش داد؟

راه هایی وجود دارند که به وسیله آن ها می توانید، عمر مفید باتری های خود را تا میزانی افزایش دهید. ماهیت واکنش های شیمیایی که پیوسته در باتری رخ می دهند، باعث می شود باتری در شارژ زیر ۲۰ درصد و بالای ۸۰ درصد فعالیت بیشتری داشته باشد.

نگه داشتن شارژ باتری لیتیوم یونی بین ۲۰ تا ۸۰ درصد، باعث افزایش طول عمر آن می شود. در حال حاضر سیستم های هوشمند مدیریت کننده انرژی که به تازگی طراحی شده اند، مانع شارژ بیش از حد گوشی ها می شوند و زمانی که کاربر گوشی خود را در طول شب به شارژ می زند، مانع شارژ گوشی بیش از ۸۰ درصد می شوند.

گوشی ها هرگز نباید دائما به برق متصل باشند و چنانچه باتری دائما شارژ و تخلیه شود، عملکرد بهتری دارند. توصیه می شود باتری لپ تاپ ها نیز حداقل یک بار در ماه، کامل شارژ و تخلیه شوند.