چرا باتری تلفن همراه شما از کار می‌افتد؟

چرا عمر باتری‌ها به پایان می‌رسد؟ و چرا قبل از آن، بارها و بارها شارژ مجدد می‌شوند و سپس دیگر قادر به نگهداری مقدار مفیدی شارژ نیستند؟ برای هر کاربر تلفن همراهی که در تلاش برای فرستادن یک پیام متنی قبل از خاموشی صفحه‌ی تلفن خود است، این سوال پیش می‌آید که چرا یک باتری جاودانه تولید نمی‌شود. پروفسور استیو مارتین، استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی آیوا در این‌باره توضیح می‌دهد.

پژوهش‌های زیادی در سرتاسر جهان برای تولید باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع‌تر، ماندگاری بیشتر و توانایی تخلیه و شارژ مجدد به تعدادی بیش از آنچه امروز وجود دارد، در جریان است. اما هر چقدر هم که من و شما به چنین موضوعی علاقه داشته باشیم، ساخت یک باتری همیشگی ممکن نیست. من ترمودینامیک را برای بیش از ۳۰ سال تدریس کرده‌ام. تاکنون موردی وجود نداشته که نشان دهد ما می‌توانیم قوانین پایه‌ای علم را برای رسیدن به چنین باتری هوشمندانه‌ای بشکنیم.

دانشمندان و مهندسین باتری به این مشکل ناپدید شدن ظرفیت می‌گویند. افراد معمولی سوال‌هایی نظیر اینکه «چرا باتری من شارژ نگه نمی‌دارد» می‌پرسند و شکایت می‌کنند که «من همین الان شارژ دستگاه را پر کردم و دوباره خالی شد!»

این یک نتیجه از قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید هر وقت یک پروسه‌ی واقعی رخ دهد، مقدار مشخصی انرژی هدر می‌رود که هرگز قابل بازیابی نخواهد بود. وقتی یک باتری شارژ و یا تخلیه می‌شود، مقداری انرژی هدر رفته وجود خواهد داشت؛ در واقع کمی از ظرفیت باتری از بین خواهد رفت و قابل بازیابی نیست. برای تصور این موضوع، در مورد شارژ و تخلیه‌ی باتری مانند انتقال آب بین دو فنجان فکر کنید. استفاده از یک باتری، شبیه به خالی کردن آب از یک فنجان به فنجان دیگر است؛ شارژ کردن باتری مشابه ریختن مجدد آن آب درون فنجان اول است. حتی اگر این کار را یک یا 2 بار و بدون ریختن قطره‌ای آب انجام دهید، همیشه کمی آب در هر فنجان باقی می‌ماند که بیرون ریخته نمی‌شود. اکنون تصور کنید که این فرآیند ریختن و خالی کردن صدها و بلکه هزاران بار طی یک دوره‌ی دو یا سه ساله (برای یک باتری تلفن همراه) یا ده تا بیست سال تکرار شود (برای یک اتومبیل برقی). طی زمان تمام این هزاران مقدار کم و زیادی که از دست رفته جمع می‌شود تا کل آب از دست برود. حتی ریختن قطره‌ای که به‌سختی دیده می‌شود، مثلاً در حد یک‌دهم یک میلی‌لیتر، در صورتی‌که ده هزار بار اتفاق بیفتد، یک لیتر را در بر خواهد گرفت. درست به همان صورت که با ریختن آب از یک فنجان به فنجان دیگر، از دست رفتن آب اجتناب‌ناپذیر است، برای شارژ باتری نیز انرژی بیشتری مورد نیاز است نسبت به آنچه که واقعا ذخیره می‌کند و انرژی کمتری نسبت به آنچه که ذخیره کرده است، از آن خارج می‌شود. نسبت انرژی هدر رفته به انرژی ذخیره‌شده طی زمان افزایش می‌یابد. در واقع هر چه بیشتر از یک باتری استفاده کنید، انرژی بیشتری به هدر می‌رود و باتری زودتر به نقطه‌ای می‌رسد که عمرش تمام می‌شود و نمی‌تواند به‌طور مفید شارژ مجدد شود.

ما در حال بررسی راه‌هایی هستیم که این چرخه‌های شارژ و تخلیه به‌صورتی انجام شوند که میزان هدررفت در آنها به حداقل برسد ولی قانون دوم ترمیودینامیک به ما می‌گوید که راهی برای گریز کامل از این مساله وجود ندارد.