ابر باتریها به جنگ هم می‌روند

در حال حاضر و با توجه به فناوری‌های موجود این امکان وجود دارد که قطعات و تجهیزات مختلفی را بر روی مدارات الکترونیکی قابل انعطاف چاپ کرد. این دانش تا آنجا گسترش یافته است که می‌توان گام‌های مطمئنی برای چاپ قطعات مختلف الکترونیکی بر روی برخی نمایشگرهای مخصوص و حتی صفحات بسیار سبک مخصوص اشعه ایکس برداشت. با این حال مرحله مشکل کار آنجا خود را نشان می‌دهد که تجهیزات و فناوری‌های فعلی ذخیره سازی انرژی پاسخگوی چنین تجهیزات الکترونیکی چاپی نیستند. این مسأله دانشمندان را بر آن داشته است تا به دنبال راه حل مناسبی باشند. آنها هم اکنون قدم‌های اولیه اما امیدوارکننده‌ای را برای آینده برداشته و موفق شده اند تا نخستین ابرخازن قابل چاپ در جهان را ارائه کنند. ارائه اولیه این محصول آینده‌ای روشن را برای چنین فناوری ترسیم کرده است.

تصور دانشمندان بر این است که می‌توان از قدرت بالا و چشمگیر این ابرخازن در ذخیره سازی قابل توجه انرژی استفاده‌های متعددی کرد و این امیدواری نیز شکل گرفته است تا به زودی و همزمان با طراحی و ساخت نمونه‌های موثرتر و البته ارزان قیمت تر این فناوری، سیستم‌های فعلی و سنتی ذخیره کننده انرژی به بوته فراموشی سپرده شود.

نمونه اولیه این فناوری که از نوعی الکترولیت ژله‌ای ساخته شده است که میان دو الکترود ساخته شده از نانولوله کربنی ساندویچ (فشرده) شده است را می‌توان با استفاده از روش‌های چاپ جوهری فعلی ارائه کرد. خازن‌ها و باتری‌ها به عنوان سیستم‌های ذخیره ساز انرژی شناخته شده‌اند. این دستگاهها نسبت به یکدیگر به عنوان دستگاه مکمل عمل می‌کنند و در حقیقت قوای درونی هر یک را افزایش می‌دهند. در سیستم‌های مختلف الکترونیکی نیز این دو دستگاه پشت سر یکدیگر قرار می‌گیرد. در حالی که باتری‌ها از قابلیت به مراتب بهتر و مؤثرتری در ذخیره سازی انرژی برخوردار هستند با این حال این توانایی جالب توجه را ندارند که همچون خازن‌ها به سرعت تخلیه بار کنند. از سوی دیگر درحالی که باتری‌ها انرژی را در واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند، خازن‌ها آن را در بارهای سطحی انباشته می‌نمایند از این رو می‌توانند فوران الکتریکی بسیار سریعی ارائه کنند. به عنوان مثال در دوربین‌های دیجیتالی خازن‌ها غالبا پالس‌های سریعی از الکتریسیته را به هنگام فشرده شدن دکمه منتشر می‌کنند.

در حال حاضر شیمیدان‌های متخصص در زمینه الکتریسیته تحقیقات گسترده را بر روی افزایش قابلیت ذخیره سازی انرژی خازن‌ها آغاز کرده‌اند و از این رو آنها امیدوارند که بتوانند رقابت بهتری با باتری‌ها داشته باشند. همچنین این دانشمندان نگاه جدی نیز به باتری‌ها دارند تا آنها نیز بتوانند از حیث انباشته شدن از بار و تخلیه آن با سرعتی بیشتر نظیر خازن‌ها رفتار کنند. اما دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و استنفورد تصمیم گرفته اند تا تمرکز خود را بر روی روش مشابهی معطوف کنند. تکنیک‌های چاپی که آنها برای طراحی و ساخت ابرخازن‌های جدید به کار می‌گیرند به اصطلاح تکنیک‌های تراشه کثیف نامیده می‌شود. این عقیده جورج گرونر، استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس است که درهمکاری با یی جو استادیار مهندسی مواد در دانشگاه استنفورد به دنبال ایجاد انقلابی تازه در فناوری ذخیره سازهای انرژی است.

آنچه که این دو محقق در حال بررسی آن هستند، طراحی و ساخت خازن‌های جدیدی است که تنها به واسطه اسپری شدن نانولوله‌های کربنی بر روی دو تکه پلاستیک حاصل می‌شود. در ادامه باید نوعی الکترولیت ژله‌ای را میان آنها ساندویچ کرد. نتیجه این فرآیند در نوع خود جالب توجه خواهد بود. شبکه‌ای از نانولوله‌های کربنی در نقش الکترود مثبت وارد عمل شده و این درحالی است که دیگری همچون الکترود منفی کار خود را آغاز می‌کند. هنگامی که ولتاژ معینی به ژل الکترولیتی داده می‌شود، بارهای الکتریکی بر روی سطح نانولوله ‌ها تجمع می‌کنند و بدین ترتیب انرژی در آنها ذخیره می‌شود. یی جو در این خصوص می‌گوید: عملکرد این دستگاه بی شک با سایر فناوری‌های مشابه قابل مقایسه خواهد بود. کلید اصلی این آینده نگری در این است که هر چیزی را می‌توان به صورت چاپی تولید کرد و این دقیقا همان چیزی است که تمرکزمان را بر روی آن معطوف کرده‌ایم.

البته فرآیند چاپی نیز چندان پیچیده نخواهد بود: نانولوله‌های کربنی موجود در بازار را می‌توان به حالت معلق در آب در آورده و سپس آنها را بر روی یک سطح پلاستیکی اسپری کرد این کار باید با استفاده از نوعی تفنگ هوایی صورت گیرد که مشابه آن در چاپگرهای جوهری فعلی دیده می‌شود. همزمان با اسپری کردن محلول مایع، آب تبخیر شده و نتیجه چیزی نیست جز انبوهی از نانولوله‌های کربنی که به صورت تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هر یک از دو لایه پلاستیکی بالغ بر 6/0 میکرومتر ضخامت دارند. این دو لایه به یکدیگر نزدیک شده تا فیلم بسیار باریکی از ژل پلیمری را در میان بگیرند. این ژل نقش الکترولیت را ایفا می‌کند.

این ژل به واسطه ترکیب پلی وینیل الکل و اسید در یک محلول تشکیل می‌شود. در حقیقت یکی از مهم‌ترین مزایای این فناوری در مقایسه با خازن‌ها و باتری‌های فعلی در همین الکترولیت است. خاصیت ژله‌ای آن و نه مایع بودن، آن را برای استفاده در طیف گسترده‌ای از تجهیزات الکترونیکی قابل انعطافی که در آینده تولید خواهند شد کاربردی خواهد کرد.

این تلاشها آنجا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌شود که به عقیده بسیاری از دانشمندان توسعه دانش تجهیزات الکترونیکی قابل انعطاف آینده تنها در گروی طراحی و ساخت سیستمهای ذخیره‌‌ساز انرژی قابل چاپ همچون این ایده استثنایی است. پیش‌بینی دیگر دانشمندان بر این است که خازن‌هایی که با استفاده از این نوع تکنیک‌ها ساخته می‌شوند در عین حال که ابعاد بسیار کوچکی خواهند داشت، می‌توانند مقادیر قابل توجهی از انرژی را در خود ذخیره کرده و از این رو فاصله زمانی مورد نیاز برای شارژ مجدد آنها بسیار افزایش خواهد یافت که این خود مزیتی مهم به حساب می‌آید. در حال حاظر تلاش دیگر دانشمندان بر این اصل استوار است که حتی باتری‌ها را نیز از مدار خارج کنند و تنها به واسطه استفاده از ابرخازن‌های چاپی نسل جدیدی از تجیهزات الکترونیکی انعظاف پذیر را ارائه کنند.

مهدی کیا