باتری کاغذی

مجید جویا: باوجود آن‌که بیش از دو قرن است باتری‌های الکتروشیمیایی اختراع شده‌اند، اما تا همین اواخر، پیشرفت چندانی در این حوزه انجام نشده بود. با ورود ابزارهای همراه دیجیتالی، فناوری جدید باتری‌های یون هلیوم توانست این صنعت قدیمی را تکان دهد. به تازگی نیز مهندسان موفق شده‌اند یکی از دیرینه‌ترین آرزوهای دنیای باتری را جامه عمل بپوشانند.

شکل سخت و نسبتا دست‌وپا گیر باتری‌های الکتروشیمیایی همیشه مانعی بزرگ در طراحی و کاهش وزن ابزارها بود و از این‌رو، خیلی از مهندسین رویای ساختن یک باتری را که مثل کاغذ، سبک و نازک و انعطاف‌پذیر باشد، در ذهن خود پرورده‌اند. یک چنین اختراعی به طرز چشمگیری وزن و ابعاد هر چیزی را که از آن نیرو می‌گیرد، کاهش خواهد داد.

اما به گزارش اکونومیست، خوشبختانه به‌نظر می‌رسد آلبرت مهرانیان از دانشگاه آپسالای سوئد و همکارانش این آرزو را جامه عمل پوشانیده‌اند. آنها یک باتری ساخته‌اند که در اصل از کاغذ ساخته شده و با وزن پایین و ضخامت بسیار کم، هرچند هنوز برای استفاده همگانی مناسب نیست، می‌تواند برای ردیابی محصولاتی که به فروشگاه‌ها می‌روند و یا چمدان‌های مسافرین در فرودگاه‌ها استفاده شود.

باتری‌های الکتروشیمیایی دارای دو الکترود (آند و کاتد) درون مایعی رسانا (الکترولیت) هستند. توانایی این دو الکترود در آزاد کردن و جذب الکترون متفاوت است و همین، سبب می‌شود الکترون‌ها از مایع الکترولیت عبور کنند و جریان الکتریکی ایجاد کنند.

یک باتری یون لیتیوم که از همان نوعی است که در تلفن‌های همراه و کامپیوتر‌های لپ‌تاپ استفاده می‌شود، معمولا از یک آند از جنس کربن، یک کاتد از اکسید کبالت لیتیوم و یک الکترولیت از نوعی نمک لیتیوم موجود درون حلالی آلی تشکیل شده است. زمانی که باتری در حال شارژ باشد، الکترون‌ها در کاتد پمپ می‌شوند که این امر، یون‌های لیتیوم را مجبور می‌کند از جای قبلی خود به سمت آند حرکت کنند. زمانی که در حال استفاده از باتری باشیم، جریان برق ایجاد شده، یون‌های لیتیوم را از آند خارج می‌کند و به کاتد بر می‌گرداند.

اما وسیله‌ای که دکتر میهرانیان و همکارانش ساخته‌اند، بر مبنای سلولز ساخته شده، همان ماده‌ای که کاغذ را از آن می سازند؛ ولی ماده جدیدی نه از درختان یا پنبه، که از سلولز موجود در خزه دریایی استفاده شده است. این سلولز فیبرهای نازک‌تری دارد که با افزایش سطح آن، اجازه می‌دهد که مقدار بار الکتریکی بیشتری را در خود ذخیره کند.

ولی سلولز رسانای الکتریسیته نیست! از این رو دکتر میهرانیان چاره‌ای نداشت جز اینکه آن را با یک ماده رسانا بپوشاند. او پلیمری را به نام پلی‌پیرول انتخاب کرد که وقتی در سلولز خزه‌ای غوطه‌ور شد، جریان الکتریکی را به خوبی هدایت می‌کرد. او سپس آند و کاتد باتری‌اش را از این مواد ساخت و برای الکترولیت هم از یک کاغذ صافی که در آب نمک خیسانده شده بود، استفاده کرد.

بنابراین باتری تشکیل شده بود از یک کاغذ صافی خیسانده درآب نمک، که بین دو الکترود سلولزی ساندویچ شده بود، البته این الکترودها نیز به طور همراستا بین دو اسلاید شیشه ای نگه داشته شده بودند. و در نهایت برای امکان‌پذیر ساختن اتصال الکتریکی با دنیای خارج، نوارهایی پلاتینی به الکترودها متصل کردند. خود انرژی الکتریکی نیز توسط تغییرات شیمیایی در پلی‌پیرول ذخیره و آزاد می‌گشت.

این مولکول می‌تواند در دو فرم وجود داشته باشد که از نظر تکنیکی به دو صورت «اکسید شده» و «احیا شده» شناخته شده است؛ و در صورتی که آنها بخشی از یک مدار باشند، جریان الکتریکی بین این دو شارش می‌کند. حاصل امر یک باتری یک ولتی بود که می توانست در چند ثانیه شارژ شود و بدون هیچ کاهش جدی در کارایی آن، بیش از صد بار پر و خالی شود.

دکتر مهرانیان در حال حاضر به دنبال تجاری کردن این فناوری است. بازدهی باتری‌های خزه‌ای حدود یک سوم بازده انواع باتری‌های یون لیتیوم است و از این‌رو، نمی‌توان آنها را جایگزین باتری‌های لیتیومی کرد؛ ولی با این وجود می‌توان برای کاربردهای کوچک از آنها سود جست. این کاربردها می‌تواند شامل برچسب‌های چمدانی باشد که رادیوهای کوچکی در خود دارند و موقعیت مکانی خود را به مسئولین حمل و نقل چمدان‌ها اطلاع می‌دهند. لوازم «هوشمند» بسته‌بندی مانند بسته‌های مواد غذایی که نمایشگرهای الکترونیکی در خود دارند نیز یک احتمال دیگر است.

به علاوه، دیگر پژوهشگران نیز به تازگی ترانزیستورهای پایه کاغذی تولید کرده‌اند. باتری ساخته شده توسط دکتر مهرانیان می‌تواند انرژی مورد نیاز برای لوازم الکترونیکی را که بر مبنای این ترانزیستورها ساخته‌شده‌اند، تامین کند. این نوآوری‌ها مثال نقضی بر این نظریه خواهند بود که حذف کاغذ از ادارات با پیشرفت فناوری اجتناب‌ناپذیر است.