باتری

اختراع باتری

-
الساندرو ولتا

نگاهی به دور و بر خود بیندازید؛ تقریباً تمامی خانه‌ها، محیط‌های کاری و اماکن عمومی، از انواع دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی بزرگ و کوچک پر شده و عملاً با یک دنیای تماماً دیجیتال مواجه شده‌ایم. اما این تجهیزات و دستگاه‌های پیشرفته، از گوشی‌های تلفن همراه هوشمند گرفته تا خودروهای برقی، همگی نیازمند باتری هستند. باتری‌ها آن‌قدر زیاد شده‌اند که همچون جزئی نامرئی از دستگاه‌های مختلف تلقی می‌شوند. با وجود گستردگی استفاده از باتری‌ها در شرایط کنونی و سهولت دستیابی به آن‌ها در فروشگاه‌های مختلف، کشف و توسعه این اختراع ارزشمند هم، با دنیایی پر از فراز و نشیب همراه بوده و در کنار این تاریخچه طول و دراز، شواهد حاکی از آن است که آینده‌ای به شدت هیجان‌انگیز نیز در انتظار آن می‌باشد.

تاریخچه باتری، به زمان‌های بسیار دور باز می‌گردد. در سال ۱۹۳۸ میلادی، مدیر موزه بغداد، در زیرزمین این موزه چیزی را یافت که امروزه به «باتری بغداد» مشهور است. بررسی‌ها روی این اثر ارزشمند و تاریخی نشان می‌دهد که به ۲۰۰۰ سال پیش (و به روایتی، حدود سال ۲۵۰ پیش از میلاد مسیح) متعلق بوده و ریشه آن به تمدن بین‌النهرین یا سلسله اشکانیان در ایران باز می‌گردد. بحث‌های فراوانی پیرامون کاربرد این باتری و به‌کارگیری آن به‌عنوان منبع انرژی وجود داشته و برخی کاربردهای پیشنهادی، از جمله برای تسکین درد و استفاده در مراسم مذهبی، مطرح شده است.

نخستین فردی که اصطلاح باتری را به کار گرفت، بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin)، مخترع و دانشمند آمریکایی بود که در سال ۱۷۴۹ میلادی، از آن برای توصیف مجموعه‌ای از خازن‌های متصل به هم استفاده نمود. با این حال، مخترع اصلی باتری و فردی که اولین باتری واقعی را اختراع نمود، فیزیکدان ایتالیایی به نام الساندرو ولتا (Alessandro Volta) بود. وی در سال ۱۸۰۰ میلادی، از دو دیسک دایره‌ای شکل مس و روی که با پارچه خیس شده در آب شور از هم جدا می‌شدند، موفق به تولید جریان پایدار الکتریکی شد. هر سلول این باتری که شامل یک مجموعه دو تایی از دیسک روی و مس و آب نمک بود، جریانی به اندازه «۰/۷۶» ولت تولید می‌کرد. لازم به ذکر است که الهام‌بخش ولتا برای اختراع باتری، آزمایشات لوئیجی گالوانی (Luigi Galvani) ایتالیایی بود. وی در سال ۱۷۹۱ میلادی، طی تحقیق در دانشگاه بولونیا کشف کرد که عضلات قورباغه، هنگام لمس اشیاء فلزی کمی تغییر می‌کند. این پدیده که بعداً «الکتریسیته حیوانات» یا «Animal Electricity» نامیده شد، توجه ولتا را برانگیخت و وی با انجام آزمایشات بیشتر و استفاده از فلزات مختلفی مانند سرب، قلع و آهن برای صفحات مثبت و مس، نقره و گرافیت برای صفحات منفی، در سال ۱۸۰۰ میلادی موفق به تولید جریان الکتریکی پایدار شد.

فرانسه اولین کشوری بود که اکتشافات ولتا را به رسمیت شناخت. وی در یک سری سخنرانی که با حضور ناپلئون بناپارت همراه بود، توانست حمایت وی را جلب نموده و اختراع خود را بهبود دهد. از آن زمان و با توجه به کاربردهای گسترده باتری، مخترعین فراوانی بر روی توسعه و تکامل فناوری باتری کار کرده‌اند. یکی از ماندگارترین باتری‌ها، باتری اسید سرب (Lead-Acid Battery) است که در سال ۱۸۵۹ میلادی اختراع شد و هنوز هم به‌عنوان فناوری رایج در موتورهای احتراق داخلی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این باتری را می‌توان قدیمی‌ترین نمونه باتری قابل شارژ دانست.

امروزه باتری‌ها در اندازه‌های مختلف، از یک باتری مینیاتوری مورد استفاده در ساعت‌های الکترونیکی گرفته تا اندازه‌های بزرگ مگاوات در مزارع خورشیدی و تأمین انرژی روستاها و مناطق دورافتاده، تولید و عرضه می‌شوند. با توجه به شیب پیشرفت‌های موجود در خصوص فناوری‌های مرتبط با باتری‌ها، پیش‌بینی می‌شود که به زودی جهشی خیره‌کننده در این زمینه رخ داده و تحولات قابل توجهی را در نوع و سبک زندگی بشر ایجاد نماید.

شاید از خود بپرسید که یک باتری چگونه کار می‌کند؟ ساخت باتری‌های استاندارد، با استفاده از دو فلز یا ترکیب متفاوت از نظر پتانسیل شیمیایی و جداسازی آن‌ها با یک عایق متخلخل صورت می‌پذیرد. انتقال یون‌ها از یک فلز به فلز دیگر، با استفاده از الکترولیت انجام شده که در این فرآیند، فلز یا ترکیبی که الکترون از دست می‌دهد، «آند» و فلز یا ترکیبی که الکترون می‌پذیرد، «کاتد» نامیده می‌شود. جریان الکترون‌ها از آند به کاتد، از طریق اتصال خارجی همان چیزی است که دستگاه‌های الکتریکی ما را فعال می‌کند.

یکی از نقاط عطف در مسیر پیشرفت باتری‌ها، اختراع باتری‌های قابل شارژ (Rechargeable Batteries) است. عملاً اساس کار باتری‌های اولیه یا «Primary Batteries» به این صورت است که وقتی واکنش شیمیایی موجب تولید جریان الکترون‌ها شود، این واکنش برگشت‌پذیر نمی‌باشد. در چنین شرایطی، چالش پیش روی مخترعین این بود که چگونه می‌توان راهی برای استفاده مجدد از باتری‌ها یافت. این امر، به‌ویژه با بزرگ‌تر شدن ابعاد و اندازه باتری‌ها ضروری‌تر گردید، چرا که جایگزینی مکرر این باتری‌ها، از نظر تجاری مقرون‌به‌صرفه نیست. اولین تلاش‌ها برای ساخت باتری قابل شارژ، به تلاش‌های یک شیمیدان انگلیسی به نام جان دانیل (John F. Daniell) باز می‌گردد که سعی در بهبود باتری‌های اولیه داشت. البته تلاش‌های وی نتوانست یک باتری قابل شارژ عملیاتی فراهم آورد و نهایتاً در سال ۱۸۵۹ میلادی، یک پزشک فرانسوی به نام گاستون پلنت (Gaston Planté)، اولین باتری قابل شارژ تاریخ را اختراع نمود. این روند، با توسعه باتری‌های نیکل کادمویوم «NiCd» در سال ۱۸۹۹ میلادی ادامه یافت و «توماس ادیسون»، با جایگزینی کادمیوم با آهن، یک باتری کارآمد تولید نمود. جالب این‌که فردی به نام جانگنر (Jungner)، برای نخستین بار باتری نیکل آهن را در سال ۱۸۹۹ اختراع نموده بود، اما زحمت ثبت اختراع را به خود نداد. دو سال بعد، ادیسون با به‌کارگیری طراحی وی، باتری خود را ثبت نمود و آن را در سال ۱۹۰۳ میلادی به تولیدکنندگان فروخت.

لازم به تأکید است که توماس ادیسون، به فناوری باتری بسیار علاقه داشت و طی تحقیقات خود، توانست ۱۴۷ پتنت با موضوع باتری به ثبت برساند. این حجم از گواهی‌های ثبت اختراع، به خوبی نشان‌دهنده پتانسیل صنعت باتری و نگاه تیزبین این مخترع پرکار مبنی بر استفاده از فرصت‌های پیش رو است.

چند دهه بعد و در سال ۱۹۸۹ میلادی، باتری‌های هیدروژن نیکل «NiMH» تولید شدند که عمر بسیار طولانی‌تری نسبت به باتری‌های قبلی داشته و در عین حال، آلودگی‌های زیست‌محیطی کمتری به همراه داشتند. اختراع این باتری، در پی فشارهای کشورهای اروپایی برای محدودسازی باتری‌های «NiCd» صورت گرفت و عملاً صنعت باتری به یک بلوغ نسبی رسید. جالب است که برخی از متخصصین صنعت باتری، باتری‌های «NiMH» را یک گام موقت برای نسل جدید و نوظهور باتری‌های لیتیوم یونی «Li-Ion» می‌دانند.

باتری‌های لیتیوم یونی، در سال ۱۹۸۰ و از سوی پرفسور جان گودنوف (John Goodenough)، به‌عنوان نوع جدیدی از باتری‌ها معرفی شد و در طی سال‌های اخیر، با استفاده از فناوری نانو، جهشی بزرگ در این صنعت رقم خورده است. لازم به ذکر است که در ابتدای کار، باتری‌های لیتیومی اصلاً ایمن نبودند و تقریباً دو دهه طول کشید تا در اواخر دهه ۱۹۹۰ میلادی، نخستین باتری لیتیوم یونی پایدار از سوی گودنوف عرضه شود.

در پایان، می‌بایست به فعالیت‌های چشمگیر و فزاینده شرکت‌های تولیدکننده باتری و فناوران فعال در این صنعت در زمینه ثبت اختراعات و نوآوری‌ها اشاره کنیم. تقاضای جهانی برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، از سال ۲۰۰۰ میلادی شکوفا گردید که منجر به یک بازار بسیار پویا برای باتری‌ها شد. در طی سه دهه اخیر، بالغ بر ۳۰۰ هزار پتنت فامیلی با موضوع باتری انتشار یافته که بیش از ۳۰ هزار مورد آن، تنها به سال ۲۰۱۷ میلادی مربوط می‌شود. بدیهی است که در چنین بازار سریع و در حال تغییری که هر روز نوآوری جدیدی توسعه می‌یابد، تشخیص فرصت‌های تجاری و شناسایی حوزه‌های تحقیقاتی پیشرو و نوظهور، منوط به شناخت بازار و رصد مداوم روندهای کلیدی است. تحلیل پتنت، یکی از ابزارهایی است که می‌تواند این مهم را برآورده نموده و شناسایی روندهای کلیدی، بازیگران برتر و همچنین آخرین نوآوری‌های این حوزه، می‌تواند موفقیت شرکت‌های فعال در این صنعت را در رقابت با سایر بازیگران، محتمل‌تر سازد.