چرا باتری گوشی در سرما ناگهان جا می‌زند؟

یک روز برفی زمستانی، گوشی‌تان را برای ثبت منظره‌ای جذاب از جیب بیرون می‌آورید. نشانگر باتری عدد ۳۰ درصد را نشان می‌دهد. اپلیکیشن دوربین را باز می‌کنید، اما درست در لحظه‌ای که می‌خواهید شاتر را لمس کنید، صفحه سیاه و گوشی خاموش می‌شود.

چند دقیقه بعد، وقتی به یک محیط گرم پناه می‌برید و کابل شارژر را وصل می‌کنید، نمایشگر روشن می‌شود و در کمال تعجب دوباره همان ۳۰ درصد را نشان می‌دهد. انگار که اصلاً اتفاقی نیفتاده است.

بسیاری از ما سناریو بالا را تجربه کرده‌ایم و شاید بلافاصله حدس بزنیم که سرمای هوا انرژی باتری را خورد یا تخلیه کرد؛ ولی فیزیک و شیمی مواد روایت متفاوتی دارند. انرژی باتری شما در هوای سرد به‌هیچ‌وجه ناپدید نمی‌شود و جایی هم نمی‌رود؛ بلکه پشت سدی از واکنش‌های کند شیمیایی و سیستم‌های محافظتی بیش‌ازحد محتاط، موقتاً زندانی می‌شود.

بیایید سلول‌های لیتیوم-یون را کمی عمیق‌تر بررسی کنیم و ببینیم با افت چنددرجه‌ای دما، چه بحرانی در مقیاس اتمی رخ می‌دهد که گجت‌های هوشمند و حتی خودروهای برقی را این‌طور فلج می‌کند.

پیش از مرور رفتار باتری در دمای زیر صفر، باید دیدگاه سنتی‌مان را نسبت به ذخیره انرژی تغییر دهیم. باتری مخزن ساده شبیه به باک بنزین نیست که مقداری برق درونش ریخته باشند و گوشی کم‌کم همان برق را مصرف کند!

در یک باتری لیتیوم-یون استاندارد، انرژی از طریق حرکت یون‌های لیتیوم بین دو قطب آند و کاتد در بستری از مایع رسانایی به نام الکترولیت آزاد می‌شود. در دمای اتاق، الکترولیت روان است و یون‌ها به‌سادگی در آن شنا می‌کنند و وقتی هوا سرد می‌شود، مقاومت داخلی باتری شدت افزایش پیدا می‌کند.

برخی تحلیل‌ها رفتار الکترولیت را به مقاومتی فیزیکی تشبیه می‌کنند؛ ولی واقعیت به این سادگی نیست. با افت دمای محیط، مایع درون باتری که معمولاً بر پایه حلال‌های کربناتی ساخته می‌شود، به‌تدریج گرانروی (ویسکوزیته) بالایی پیدا می‌کند و شبیه به شیره‌ای غلیظ می‌شود، مانند زمانی که عسل را در بخچال می‌گذارید.

در محیط گرم، انرژی حرارتی فرایند جداسازی پوسته را تسهیل می‌کند، ولی در سرما فرایند حلال‌زدایی کندتر می‌شود و یون‌ها پشت مرز الکترودها انباشته می‌شوند. مجموع شرایط حاکم باعث می‌شود رسانایی الکترولیت و مقاومت انتقال بار تا سطوح نگران‌کننده‌ای تغییر کنند.

بررسی‌های منتشر شده پیرامون رفتار باتری‌ها هنگام شارژ و تخلیه در هوای سرد نشان می‌دهد که گاهی در دمای منفی بیست درجه سانتی‌گراد، مقاومت داخلی باتری تا چهار برابر حالت عادی افزایش می‌یابد.

ازسوی‌دیگر وجود انرژی درون باتری به این معنی نیست که باتری می‌تواند انرژی را تحویل دهد. در دماهای پایین، به‌دلیل افزایش مقاومت داخلی و کندشدن واکنش‌های الکتروشیمیایی، شاید باتری نتواند انرژی ذخیره‌شده را با ولتاژ و توان کافی به مدار خارجی منتقل کند. محدودیت در تحویل توان هم بخشی از رفتار عجیب باتری در زمستان را توضیح می‌دهد.

حالا که می‌دانیم جریان الکترون‌ها در سرما با چه موانعی روبرو می‌شود، باید به سراغ مقصر اصلی خاموشی‌های ناگهانی برویم و نقش سیستم مدیریت باتری (BMS) را بررسی کنیم؛ ساختاری سخت‌افزاری-نرم‌افزاری که وظیفه دارد سلامت سلول‌های انرژی را در هر لحظه پایش کند.

عددی که کنار آیکون باتری می‌بینیم، اندازه‌گیری مستقیم انرژی باقی‌مانده نیست. سیستم مدیریت باتری نمی‌تواند به طور مستقیم تعداد یون‌های لیتیوم درون الکترودها را بشمارد و در عوض با پایش مداوم جریان، دما و تغییرات ولتاژ، میزان شارژ باقی‌مانده را تخمین می‌زند.

حاصل‌ضرب جریان بالا در مقاومت داخلی شدید باتری باعث سقوط ناگهانی و شدید ولتاژ می‌شود؛ پدیده‌ای که افت ولتاژ زیر بار (Voltage Sag) نام دارد. وقتی به‌خاطر سرما و مصرف بالای اپلیکیشن، ولتاژ به‌صورت لحظه‌ای به زیر ۳ ولت سقوط می‌کند، سیستم هوشمند مدیریت باتری فرض را بر تخلیه شارژ باتری می‌گذارد.

ازآنجاکه تخلیه بیش از حد می‌تواند آسیب‌های جبران‌ناپذیری به ساختار شیمیایی باتری وارد کند، سیستم برای محافظت از دستگاه، برق را فوراً قطع می‌کند و گوشی خاموش می‌شود.

آزمایش‌های انجام شده روی مقاومت داخلی باتری‌ها در سرما به‌خوبی ثابت می‌کند که قطعی برق دستگاه، خطای نرم‌افزاری نیست. وقتی گوشی را به جیب لباس خود برمی‌گردانید یا به محیطی سرپوشیده می‌روید، گرمای محیط الکترولیت را دوباره روان می‌کند، مقاومت داخلی را می‌شکند و ولتاژ را به حالت طبیعی برمی‌گرداند.

زمانی‌که دوباره گوشی را روشن می‌کنید، سیستم مدیریت باتری ولتاژ اصلاح شده را می‌خواند و همان درصد شارژ قبلی را به شما گزارش می‌دهد. پس اگر گوشی‌تان مدت زیادی در سرمای شدید بماند و پس از اتصال به شارژر بسیار آهسته شارژ شود یا مدتی اصلاً شارژ نگیرد، لزوماً شارژر شما مشکلی ندارد. گاهی دستگاه منتظر می‌ماند تا دمای باتری به محدوده‌ی امن‌تری برگردد.

ما فکر می‌کنیم پیرشدن باتری صرفاً یعنی گوشی دیگر مثل روز اول شارژ نگه نمی‌دارد، ولی با افزایش سن شیمیایی سلول، مقاومت داخلی نیز بیشتر می‌شود و توانایی باتری برای تأمین جریان زیاد در لحظه کاهش پیدا می‌کند.

به همین دلیل دو گوشی مشابه با میزان شارژ یکسان می‌توانند در سرمای یکسان رفتار کاملاً متفاوتی نشان دهند؛ باتری جدیدتر افت دما را تحمل می‌کند، اما باتری فرسوده خیلی زودتر به آستانه‌ای می‌رسد که دستگاه به ناگزیر خاموش می‌شود.

خاموش‌شدن ناگهانی گوشی در سرما مسلماً کاربران را آزار می‌دهد، اما از مکانیزمی دفاعی برای نجات قطعات داخلی ناشی می‌شود. چالش خطرناک زمانی رقم می‌خورد که تصمیم بگیرید باتری لیتیوم-یون را در دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد شارژ کنید.

خالی‌شدن باتری در سرما صرفاً واکنش‌های شیمیایی را کند می‌کند، اما فرآیند شارژ در شرایط یخ‌بندان، معماری درونی باتری را به شکلی غیرقابل‌بازگشت ویران خواهد کرد و حتی می‌تواند خطرات ایمنی جبران‌ناپذیری به همراه داشته باشد.

در شرایط استاندار شارژ، یون‌های لیتیوم با نظم و ترتیب از الکترولیت عبور می‌کنند و در فضاهای خالی بین لایه‌های گرافیت در قطب منفی جای می‌گیرند؛ درست مثل مسافرانی که به‌آرامی وارد واگن‌های یک قطار می‌شوند تا در جای خود بنشینند.

یون‌های سرگردان وقتی راهی برای نفوذ پیدا نمی‌کنند، به‌ناچار همان‌جا روی سطح بیرونی الکترود انباشته می‌شوند و با دریافت الکترون، به شکل فلز خالص لیتیوم رسوب می‌کنند. طبق گزارش تحلیلی فست‌کمپانی رسوبات فلزی دو پیامد ناگوار برای دستگاه شما دارند.

نخست اینکه بخشی از لیتیوم فعال که قرار بود انرژی باتری را تأمین کند، برای همیشه از چرخه خارج می‌شود که اصطلاحاً به آن لیتیوم مرده می‌گویند و معنایی جز افت دائمی ظرفیت باتری شما ندارد. اما پیامد خطرناک‌تر با رشد دندریت‌ها آغاز می‌شود.

لیتیوم رسوب‌کرده ساختار صاف و یکدستی ندارد و شبیه به شاخه‌های خاردار یا سوزن‌های میکروسکوپی (دندریت) رشد می‌کند. با تکرار چرخه‌های شارژ در محیط‌های سرد، سوزن‌های فلزی قد می‌کشند تا جایی که غشای ظریف و پلیمری جداکننده بین آند و کاتد را پاره می‌کنند و باعث اتصال کوتاه می‌شوند.

زنجیره‌ی واکنش‌های گرمازا دستگاه را وارد فازی به نام فرار حرارتی می‌کند؛ یعنی سلول باتری بسیار زودتر از حد معمول به نقطه بحران می‌رسد و به تورم شدید باتری، نشت گازهای سمی و حتی شعله‌ورشدن ناگهانی دستگاه منجر می‌شود.

رفتار باتری‌ها در مواجهه با سرما یکسان نیست و تا حد زیادی به ساختار هندسی و متریال به‌کاررفته در آن‌ها بستگی دارد. برای مثال در سال‌های اخیر، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) به دلیل ایمنی مثال‌زدنی و حذف فلزات گران‌بهایی نظیر کبالت، در صنعت خودروهای الکتریکی اقتصادی و سیستم‌های ذخیره انرژی محبوبیت زیادی پیدا کرده‌اند.

ولی باتری‌های LFP به‌خاطر ساختار بلوری زیتونی‌شکلبا مسیرهای انتقال تک‌بعدی، فضای بسیار محدودی را برای عبور یون‌ها فراهم می‌کنند، در برابر افت دما آسیب‌پذیرند و ظرفیتشان با رسیدن به دمای یخ‌بندان با شیب تندی سقوط کند.

در مقابل، ترکیباتی مانند نیکل-کبالت-منگنز (NCM) یا نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA) که بیشتر در گوشی‌های پرچم‌دار و خودروهای برقی دوربرد استفاده می‌شوند، به لطف بهره‌مندی از ساختارهای لایه‌ای، مسیرهای وسیع‌تری برای تردد یون‌ها دارند و در سرمای زمستان انعطاف‌پذیری به‌مراتب بالاتری از خود نشان می‌دهند.

اتیلن کربنات پایداری باتری را تضمین می‌کرد، اما در دمای ۳۴ تا ۳۶ درجه به حالت جامد درمی‌آمد. گرچه مخلوط‌کردن این ترکیب با حلال‌های دیگر نقطه انجمادش را پایین می‌آورد، اما سایه شوم یخ‌زدگی و افت عملکرد در سرما، سال‌ها بر سر این فرمولاسیون باقی ماند.

امروزه دانشمندان علم مواد برای عبور از چالش الکترولیت، فرمولاسیون‌های جدیدی را توسعه می‌دهند که اتیلن کربنات را کاملاً حذف می‌کند. در ترکیبات نوین، حلال‌های خطی با ویسکوزیته پایین جایگزین شده‌اند تا حرکت یون‌ها حتی در دماهای انجماد، روان باقی بماند.

پژوهش‌های انجمن شیمی آمریکا نشان می‌دهد که فلوئورواتیلن کربنات، لایه‌ای نانومتری و بسیار مستحکم روی قطب منفی می‌سازد، پوششی که شبیه به ابررسانای یونی عمل می‌کند و اجازه می‌دهد یون‌های لیتیوم حتی در سرمای کشنده، به‌سرعت و بدون نیاز به تقلا، به درون الکترود نفوذ کنند.

اصلاحات شیمیایی باتری‌ها بسیار کارآمدند، اما مرزهای ترمودینامیک را به طور کامل جابه‌جا نمی‌کنند. در این میان تیمی از مهندسان پیشگام در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، برای حل معضل باتری‌ها در سرما ایده‌ی باتری‌های تمام‌اقلیمی را معرفی کرده‌اند که بر پایه‌ی معماری گرمایش داخلی عمل می‌کند.

در فرآیند تولید باتری‌های تمام‌اقلیمی، یک فویل نیکل بسیار ظریف با ضخامت تنها ۵۰ میکرومتر در لابه‌لای ساختار داخلی سلول تعبیه می‌شود. یک انتهای این فویل به قطب منفی و انتهای دیگرش به ترمینالی خارجی می‌رسد که سنسور دمایی هوشمندی کنترلش می‌کند.

بر اساس گزارش منتشر شده در پایگاه خبری یورک‌آلرت درباره دستاورد باتری‌های خودگرم‌شونده، وقتی دمای محیط به زیر مرز انجماد می‌رسد، مدار هوشمند باتری، جریان الکتریکی را مستقیماً به ورقه‌ی نیکل می‌فرستد.

بااین‌حال پیش‌ازاینکه ایده‌های جدید به محصولی تجاری تبدیل شوند، باید تست‌های جهانی سختی را پشت سر بگذارند. مخصوصاً که سازمان‌های نظارتی به‌واسطه‌ی حساسیت بالای باتری‌های لیتیوم-یون به شرایط اقلیمی، استانداردهای سخت‌گیرانه‌ای را برای تضمین ایمنی باتری‌ها تدوین کرده‌اند.

شاید دفعه‌ی بعد که گوشی‌تان در سرمای زمستان خاموش شد، به‌خاطر بیاورید که نه قوانین فیزیک نقض شده‌اند و نه گوشی شما مشکلی دارد. همه‌چیز به الکترولیت‌هایی برمی‌گردد که در دمای پایین غلظت بیشتری پیدا می‌کنند و یون‌هایی که پشت درهای بسته می‌مانند.

اما مسیر علم و نوآوری هیچ‌گاه متوقف نمی‌شود. از طراحی مایعات نوین با تحمل یخ‌بندان مطلق گرفته تا ورقه‌های نیکل خودگرم‌شونده که باتری را از خواب زمستانی بیدار می‌کنند، ایده‌ها و طرح‌های پژوهشی و نوظهور نوید آینده‌ای را می‌دهند که در آن تکنولوژی به آب‌وهوا باج نمی‌دهد.