وقتی که دبیرستانی بودم بهترین دبیر فیزیک دنیا را داشتم. دبیر فیزیک‌مان «پاتریک گیلسپی» شدیداً به فیزیک علاقه‌مند بود و معمولاً هنگام درس دادن از ابزارهایی که به این منظور ساخته بود استفاده می‌کرد. یکی از این ابزارهای خودساخته خازنی عظیم و پلاستیکی بود که از گالونی بزرگ ساخته شده بود که درون و بیرون آن با لایه‌ای از آلومینیوم پوشیده شده بود. شاید حرکتی خطرناک بوده باشد، اما این خازن خودساخته به اندازه‌ی کافی انرژی در خود ذخیره می‌کرد که هر دانش‌آموز شجاعی را با شوک الکتریکی کوتاهی بترساند.
این‌ها را گفتم که بگویم در پایه‌ای ترین حالت ممکن، خازن همین است، دستگاهی که شارژ الکتریکی را ذخیره می‌کند و در هنگام نیاز به دیگر قطعات می‌رساند. چنین چیزی خازن را تبدیل به قطعه‌ای بسیار شبیه به باتری می‌کند، که البته شباهت‌هایی نیز دارند. پس چرا همه‌ي گوشی‌های هوشمند به جای استفاده از خازن از باتری استفاده می‌کنند؟ این سوالی است که در چند خط آینده به آن می‌پردازیم، اما تمرکز اصلی این مقاله ابزخازن‌ها هستند، یکی از قطعات ذخیره‌سازی شارژ که در چند وقت اخیر به شدت محبوب شده است، و به این می‌پردازیم که چرا ممکن است روزی این قطعات جای باتری‌های همه‌گیر لیتیوم-یونی را بگیرند.
باتری‌ها در مقابل خازن‌ها، تفاوت‌شان چیست؟
باتری‌ها در اندازه‌ها، شکل‌ها و انواع مختلفی ساخته می‌شوند. باتری‌ای که گوشی‌های هوشمند امروزی از آن استفاده می‌کنند باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یونی هستند، باتری‌های که به دلیل توانایی بالایشان در ذخیره‌ی انرژی شناخته می‌شوند. این به آن معنی است که این باتری‌ها قادر به ذخیره‌ی انرژی زیادی در فضای کوچکی هستند، که آن‌ها را به انتخابی ایده‌آل برای دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل تبدیل می‌کند.
برخلاق باتری‌ها، خازن‌ها توانایی شارژ و تخلیه شدن سریعی دارند، و به همین دلیل است که می‌توانند انتخاب خوبی برای وارد کردن شوک الکتریکی در کلاس فیزیک باشند. از طرف دیگر نیز خازن‌ها با توجه به اندازه‌شان قادر به ذخیره‌ي مقدار بسیار کمتری شارژ هستند. اگر زمانی خازنی با ظرفیت ذخیره‌سازی باتری آیفون ساخته شود، برای حمل آن به یک ون نیاز خواهید داشت. این‌ها فقط مواردی از اختلاف باتری و خازن‌ها هستند، اما برای این‌که بدانید چرا نمی‌توان از خازن‌ها به جای باتری استفاده کرد کافی به نظر می‌رسد.
ابرخازن‌ها چه هستند؟
ویژگی‌های ابرخازن‌ها آن‌ها را در جایی میان باتری‌ها و خازن‌ها قرار می‌دهد. این ابرخازن‌ها می‌توانند مقدار قابل قبولی از شارژ را در خود ذخیره کنند، که البته خیلی دور از مقداری است که باتری‌ها قادر به ذخیره‌ی آن هستند، اما صدها برابر بیشتر از مقداری است که خازن‌های فعلی قادر به ذخیره‌سازی آن هستند. نکته‌ی دیگر این است که ابرخازن‌ها بسیار سریع‌تر از باتری‌های لیتیومی شارژ می‌شوند، با گذشت زمان به همان سرعت فرسوده نمی‌شوند و در گرما تحمل بیشتری دارند.
ابرخازن‌های فعلی توانایی جایگزین شدن به جای باتری‌های داخل گوشی‌های هوشمند ما را ندارند اما با توجه به پیشرفت‌هایی که در این زمینه در حال رخ دادن است، روزی چنین چیزی به واقعیت خواهد پیوست. باتری‌ای را تصور کنید که در عرض چند ثانیه شارژ می‌شود و بعد از یک هفته استفاده مانند روز اول خود کار می‌کند. البته که چنین اتفاقی بسیار شگفت‌انگیز خواهد بود.
آینده‌ی ابرخازن‌ها چیست؟
فقط یک چیز است که قطعی است: گوشی‌های پیش‌روی سال آینده از ابرخازن‌ها استفاده نخواهند کرد، چون ابرخازن‌های معاصر که بخواهند در اندازه‌های معقولی باشند قادر به ذخیره‌سازی انرژی مورد نیاز گوشی‌های هوشمند نیستند. در واقع احتمالاً یک دهه یا بیشتر با چنین روزی فاصله داریم. با این حال تحقیقاتی با هدف افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی ابرخازن‌ها توسط انستیتوهای مختلف در حال انجام است. یکی از تیم‌هایی که درحال کردن روی این موضوع هستند، تیم «دانشگاه فلوریدای مرکزی» است که اخیراً نیز مقاله‌ای راجع به پیشرفت‌هایشان در این زمینه منتشر کرده‌اند. نتیجه‌ي تحقیقاتشان به نظر خوب می‌آید: این تیم موفق به ایجاد فرآیندی شده‌اند که طی آن ابرخازن‌هایی با ظرفیت ذخیره‌سازی بالاتر ساخته می‌شوند. این کار توسط استفاده از نانوماده‌هایی 100 هزار بار کوچک‌تر از موی انسان انجام شده است، نانوماده‌هایی که از آن‌ها برای ذخیره و انتقال شارژ استفاده می‌شود. علاوه بر این‌ها، ابرخازن‌های این تیم منعطف‌اند و می‌توانند بیش از 30 هزار سیکل شارژ را دوام بیاورند.
«نیتین چودهری»، فوق دکترایی که خیلی از تحقیقات منتشر شده‌ي اخیر در ACS Nano توسط او انجام شده است می‌گوید «اگر قرار بود که باتری‌های فعلی را با این ابرخازن‌ها جایگزین کنند می‌توانستید در عرض چند ثانیه دستگاه خود را شارژ کنید و تا هفته‌ها نیاز به شارژ آن نداشتید.»
و حالا شما می‌دانید که بعید نیست این پیش‌بینی‌های «نیتین» به حقیقت بپیوندند.
چالش‌های پیش روی تکنولوژی ابرخازن‌ها چه چیزهایی هستند؟
در ابتدا می‌توانیم بگوییم که امنیت مشکلی است که باید به آن پرداخته شود. همانطور که کمی پیش‌تر به آن اشاره کردیم خازن‌ها و ابرخازن‌ها به سرعت تخلیه می‌شوند، و عدم عملکرد مناسب چنین قطعاتی می‌تواند سبب اتفاقاتی همچون اتفاقات مربوط به انفجار گلکسی نوت 7 شود.
سپس قول شارژ بسیار سریع این ابرخازن‌ها را به یاد آورید. از لحاظ فنی شارژ کردن ابرخازنی در عرض چند ثانیه امکان‌پذیر است، اما در عمل، به منبع تغذیه‌ی بزرگی نیاز دارید، شارژری به اندازه‌ی یک توپ فوتبال، یا قدرت الکتریکی یک صاعقه. شاید شارژ شدن در عرض چند دقیقه کمی منطقی‌تر باشد، ولی حتی در چنین صورتی نیز به شارژری به اندازه‌ي شارژر یک لپ‌تاپ نیاز دارید.
و البته که چنین کاری هزینه‌های مالی مختص خود را نیز دارد. نیاز به تحقیق و توسعه‌ی زیادی وجود دارد تا ابرخازنی ساخته شود که آن‌قدر خوب باشد که بتواند جای باتری‌های دستگاه‌های الکترونیکی ما را بگیرد. تمام این‌ها به منابع مالی، صرف زمان و انرژی زیادی نیاز دارد. اگر زمانی برسد که چنین ابرخازن‌هایی ساخته شوند، به احتمال زیاد در ابتدا بسیار گران باشند که قیمت گوشی‌های هوشمندی که از این ابرخازن‌ها استفاده می‌کنند را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
با این حال گران بودن هزینه‌ی ساخت این ابرخازن‌ها موردی است که تمام تکنولوژی‌های جدید با آن دست و پنجه نرم می‌کنند و غلبه بر آن ممکن است. در گذشته‌ها بهترین گوشی‌ها، یک باتری لیتیومی، صفحه‌ای رنگی و دوربین داشتند. در حال حاضر سخت است که گوشی هوشمندی پیدا کنید که این‌ها را نداشته باشد. تکنولوژی و علم استراحت‌بردار نیستند و بالاخره جایگزینی برای باتری‌های لیتیوم-یونی به بازار خواهد آمد. اما آیا چنین چیزی یک ابرخازن خواهد بود؟ فقط زمان است که می‌تواند به این سوال پاسخ دهد.
