همه‌چیز درباره باتری سیلیکون-کربن؛ راز تولید گوشی‌های باریک با عمر باتری طولانی
در هنگام تخلیه، واکنش یادشده به‌صورت معکوس انجام می‌شود. یون‌های لیتیوم به‌تدریج از آند آزاد می‌شوند و به کاتد بازمی‌گردند و انرژی ذخیره‌شده را آزاد می‌کنند؛ اما هر چرخه، ساختار ماتریس سیلیکون-کربن را تحت فشار قرار می‌دهد. بدون چارچوب پشتیبان کربن، سیلیکون خالص پس از چند چرخه به‌طور برگشت‌ناپذیری ترک می‌خورد.
طراحی‌های ترکیبی، مشکل تخریب سیلیکون را با محدود کردن نقش آن کاهش می‌دهند؛ زیرا گرافیت وظیفه‌ی ذخیره‌ی یون‌ها را بر عهده دارد، درحالی‌که سیلیکون در مراحل پرمصرف، وارد عمل می‌شود.
باتری‌های سیلیکون-کربن در برابر لیتیوم یون
رقابت میان باتری‌های سیلیکون-کربن و لیتیوم یون نیاز به توازن ظریفی بین افزایش عملکرد، ملاحظات مهندسی و غلبه بر چالش‌های علم مواد دارد. در مرکز این رقابت، چگالی انرژی قرار دارد. باتری‌های سیلیکون-کربن در زمینه‌ی چگالی نرژی برتری دارند، زیرا سیلیکون می‌تواند تا ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت، که ماده‌ی رایج در آند باتری‌های لیتیوم-یون است، یون‌ها را ذخیره کند.
این مزیت به‌طور مستقیم در کاربردهای دنیای واقعی دیده می‌شود. برای مثال، گوشی مجیک پرو ۶ آنر با نسل دوم باتری‌های سیلیکون-کربن و ظرفیت ۵۴۵۰ میلی‌آمپرساعتی عرضه شده است که تنها ۸٫۷۷ میلی‌متر ضخامت دارد.
در مقابل، گوشی گلکسی زد فولد ۶ سامسونگ، که از باتری معمول لیتیوم یون استفاده می‌کند، باوجود ضخامت بیشتر و باتری وسیع‌تر، تنها یک باتری ۴۴۰۰ میلی‌آمپرساعتی دارد. طراحی باریک‌تر و ظرفیت بیشتر باتری‌های سیلیکون-کربن صرفاً یک پیشرفت جزئی نیست؛ بلکه مرزهای طراحی را برای دستگاه‌های تاشو و فوق باریک، از نو تعریف می‌کند.
در خودروهای برقی، اهمیت پیشرفت فناوری باتری حتی بیشتر به چشم می‌آید. مرسدس بنز، در همکاری با شرکت پیشگام آندهای سیلیکونی، سیلا، سلول‌هایی با ظرفیت ۴۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم توسعه داده است که افزایشی ۲۰ تا ۴۰ درصدی نسبت به بهترین باتری‌های لیتیوم یونی امروزی دارد.
بااین‌حال، توانایی استثنایی سیلیکون در ذخیره‌ی انرژی، یک چالش اساسی نیز به‌همراه دارد: دوام و چرخه‌ی عمر. مطالعات نشان می‌دهند که سلول‌های اولیه‌ی سیلیکون-کربن تنها بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه‌ی عمر دوام می‌آورند؛ درحالی‌که باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً بیش از ۱۰۰۰ چرخه‌ی عمر را بدون افت شدید ظرفیت تحمل می‌کنند.
به‌کارگیری راهکارهای بررسی‌شده، مشکلات تورم سیلیکون در باتری‌های حاوی سیلیکون را رفع می‌کند، اما چالش‌هایی همچنان پابرجا هستند. به عنوان نمونه، فرآوری سیلیکون خالص هزینه‌بر است و گسترش آندهای مبتنی بر نانوسیم، به تولید دقیق و کنترل‌شده‌ای نیاز دارد.
درحال‌حاضر، بیشتر باتری‌های سیلیکون-کربن مقدار کمی سیلیکون را با گرافیت ترکیب می‌کنند؛ راهکاری که بین عملکرد بالا و عملی بودن، تعادل برقرار می‌کند.
سرعت شارژ و ایمنی: مزیت‌های سیلیکون-کربن
باتری‌های سیلیکون-کربن نه‌تنها ظرفیت بیشتری دارند، بلکه در سرعت شارژ و ایمنی نیز از فناوری‌های فعلی پیشی می‌گیرند. آندهای نانوساختاری سیلیکون-کربنی، نفوذ یون‌ها را سریع‌تر می‌کنند. در نمونه‌های اولیه‌ای مانند آنچه شرکت Amprius Technologies توسعه داده است، دستیابی به شارژ تا ۸۰ درصد در کمتر از ۶ دقیقه ممکن می‌شود.
باتری‌های سیلیکون-کربن از باتری‌های لیتیوم یون ایمن‌ترند
بااین‌حال، گوشی‌های هوشمند شرکت‌هایی مانند شیائومی، شاهد کاهش جزئی سرعت شارژ بوده‌اند. در برخی مدل‌ها، توان شارژ از ۱۲۰ وات به ۱۰۰ وات کاهش می‌یابد، زیرا سیلیکون به جریان‌های بالا حساس‌تر است. اما از طرف دیگر، باتری‌های سیلیکون-کربن، به‌لطف سازگاری با الکترولیت‌های حالت‌جامد، سرعت شارژ بیشتری را با توان شارژ کمتر ارائه می‌دهند.
غلبه بر موانع: نوآوری‌هایی که آینده را شکل می‌دهند
باتری‌های سیلیکون-کربن نوید تغییر اساسی را در ذخیره‌ی انرژی می‌دهند، اما تسلط آن‌ها بر بازار، به غلبه بر چالش‌های فنی قابل‌‌توجهی بستگی دارد. از پیشرفت‌های علم مواد گرفته تا ادغام فناوری مذکور در کاربردهای واقعی، محققان و مهندسان در حال توسعه‌ی راهکارهایی هستند تا این پتانسیل آزمایشگاهی را به یک محصول تجاری تبدیل کنند.
برخلاف باتری‌های لیتیوم یون که منحنی ولتاژ پیش‌بینی‌پذیری دارند، سلول‌های سیلیکون-کربن الگوهای فرسودگی غیرخطی از خود نشان می‌دهند. به همین دلیل، گوشی‌های هوشمند مدرن با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی بر نقاط تنش الکتروشیمیایی نظارت و بدین ترتیب نرخ شارژ را برای کاهش تخریب باتری تنظیم می‌کنند.
در حوزه‌ی گوشی‌های هوشمند، شرکت‌هایی مانند آنر، شیائومی و هواوی پیشگام این فناوری هستند. اگرچه اپل و سامسونگ هنوز دستگاه‌های مصرفی مجهزبه باتری‌های سیلیکون-کربن را عرضه نکرده‌اند، اسناد ثبت اختراع تحقیقات فعال آن‌ها را در این حوزه نشان می‌دهد. تمرکز سامسونگ بر تحقیق و توسعه در زمینه‌ی آندهای پوشش داده‌شده با گرافن، رقابت برای رسیدن به نوآوران چینی را نشان می‌دهد.
آنر، شیائومی و هواوی پیشگام استفاده از فناوری باتری‌های سیلیکون-کربن هستند
به‌طور مشابه، همکاری‌های اخیر اپل با TDK، یکی از تأمین‌کنندگان کلیدی مواد سیلیکون-کربن، نشان می‌دهد که آیفون‌های آینده ممکن است از این فناوری برای عبور از محدودیت‌های یک دهه‌ی اخیر در عمر باتری استفاده کنند.
در بخش خودروسازی، فناوری سیلیکون-کربن آماده است تا انقلابی در خودروهای برقی ایجاد کند. شرکت پورشه نیز با سرمایه‌گذاری گسترده‌ی ۱۰۰ میلیون دلاری در Group14، قصد دارد آندهای پیشرفته‌ی سیلیکونی را برای مدل‌های تایکان توسعه دهد.
پیامدهای فناوری باتری‌های سیلیکون-کربن فراتر از دستگاه‌های دستی و وسایل نقلیه‌ی مسافری است. شرکت Amprius Technologies، یک استارتاپ مستقر در کالیفرنیا، تصمیم دارد تا در همکاری با ایرباس، آندهای نانوسیمی سیلیکونی خود را با هدف برقی‌سازی هواپیماهای کوتاه‌برد، در سیستم‌های هوانوردی ادغام کند.
