كيف تؤثر تقنية بطاريات الليثيوم على عمر بطارية آيفون وأدائها

بطارية الليثيوم لجهاز iPhone: الكيمياء الأساسية، القيود التصميمية، والتدهور في ظروف الاستخدام الفعلي

من مركّب LCO إلى خلطات NMC: كيف أدّى تطوّر القطب الموجب إلى تحسين كثافة الطاقة والاستقرار الحراري

استخدمت الطرازات الأولى من أجهزة iPhone بطاريات الليثيوم مع كاثودات أكسيد الليثيوم والكوبالت (LCO). وكانت هذه الكاثودات ممتازة في تجميع كميات كبيرة من الطاقة في مساحات صغيرة، لكنها عانت من مشكلات جسيمة في الاستقرار عند شحنها إلى جهد يتجاوز 4.2 فولت. وقد يؤدي الشحن السريع إلى مشكلات خطيرة مثل الانفلات الحراري ونمو التفرعات (Dendrites) داخل خلايا البطارية. وقد تغيّرت الأمور بشكل كبير منذ ذلك الحين. فطرازات آيفون الحالية تستخدم خليط كاثودات النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) بدلًا من ذلك. وهذه الصيغة الجديدة تقلل استخدام الكوبالت بنسبة تقارب 60% وتزيد من دور النيكل في التركيبة. ووفقًا للاختبارات التي أُجريت وفق معيار IEC 62133-2، فإن هذا التغيير يعني أن البطاريات تحتفظ بقدرتها على الاحتفاظ بالشحنة بنسبة أفضل بحوالي 20% بعد إتمام 500 دورة شحن. ويُسهم المنغنيز في الحفاظ على استقرار هيكل البطارية ومنع انطلاق كميات زائدة من الأكسجين عند ارتفاع درجات الحرارة. أما النيكل فيسمح بمستويات جهد أعلى دون المساس بالسلامة. وتعمل كل هذه التحسينات معًا على تحسين إدارة الحرارة داخل أجسام الهواتف الرقيقة جدًّا. وهذا أمرٌ في غاية الأهمية، لأن شركة آبل لا تزال تقلّص المساحة الداخلية المتاحة في أجهزتها مع الحفاظ في الوقت نفسه على نفس مستوى الأداء المطلوب.

عامل الشكل فائق النحافة مقابل الإدارة الحرارية: لماذا تُفضِّل هواتف الآيفون الحجم على التبريد

عندما يتعلق الأمر بالتصميم، تُعطي شركة أبل الأولوية للسُمك الرقيق بدلًا من التركيز على إدارة الحرارة بكفاءة. فلنلقِ نظرةً على هواتف الآيفون: فهي لا تحتوي سوى على حوالي ١٫٥ ملم مخصصة لمواد واجهة التبريد الحراري، وهي في الواقع أقل بنسبة تصل إلى ثلثَيْ ما توفره معظم الهواتف الذكية الرائدة العاملة بنظام أندرويد. ونتيجةً لهذه القيود، قد ترتفع درجات الحرارة داخل هذه الأجهزة ما بين ٨ إلى ١٢ درجة مئوية أثناء تنفيذ مهام شاقة مثل تصدير مقاطع الفيديو بدقة ٤K أو تشغيل تطبيقات الواقع المعزَّز. وعلى الرغم من أن الهاتف يحتوي على مواد مُوزِّعة للحرارة مصنوعة من الجرافيت وهيكلاً ألمنيوميًّا يساعدان في تبديد الحرارة سلبيًّا، فإن هذه الحلول لا تكفي عند استمرار عبء العمل لفترات طويلة. وهذا يؤدي أيضًا إلى تسريع عملية تدهور البطارية. ووفقًا لبعض القوانين الأساسية في الفيزياء، لو أرادت شركة أبل تبني حلول تبريد أفضل مثل أنابيب النحاس الحرارية أو غرف البخار، لكان لا بد أن تصبح هواتفها أسمك بنسبة تقارب ٤٠٪، وهو أمرٌ يتناقض بوضوح مع معايير التصميم الأنيق التي تشتهر بها الشركة. ومن المثير للاهتمام أن بحثًا استهلاكيًّا حديثًا أجرته شركة «ستاتيستا» عام ٢٠٢٣ أظهر أن نحو ٧٨٪ من المستهلكين ما زالوا يفضلون الأجهزة الرقيقة على تلك التي تتمتع بأداء حراري متفوق، رغم إدراكهم أن التصاميم الأرق تؤدي إلى تآكل أسرع للبطاريات مع مرور الوقت.

تدهور البطارية في الممارسة العملية: فهم حالة الصحة (SoH)، والسعة القابلة للاستخدام، وحدود الإبلاغ الخاصة بشركة أبل

عوامل التقدم الكيميائي في العمر: نمو طبقة الواجهة الصلبة الإلكتروليتية (SEI)، وتَرسيب الليثيوم، وتأثيرها على عمر بطارية آيفون

هناك أساسًا شيئان يحدثان داخل بطاريات أجهزة الآيفون لا يمكن عكسهما مع مرور الوقت: تكوّن طبقة ما بين الإلكتروليت الصلب (SEI) وتَرسيب الليثيوم المعدني. وعندما نبدأ باستخدام هواتفنا لأول مرة، تبدأ طبقة SEI في التشكل تلقائيًّا خلال دورات الشحن الأولى. ولكن مع استمرار شحن البطارية وتفريغها، تزداد هذه الطبقة سُمكًا تدريجيًّا، ما يؤدي إلى استنزاف أيونات الليثيوم الفعّالة ويُجبر البطارية على بذل جهدٍ أكبر لمواجهة مقاومة داخلية متزايدة. أما المشكلة الأخرى فهي تحدث في ظروف الشحن مثل الطقس البارد الذي يقل عن ١٠ درجات مئوية، أو سرعات الشحن السريع التي تفوق المستويات العادية، أو عند اقتراب البطارية من الشحن الكامل. وفي هذه الحالات، تتكون رواسب من الليثيوم المعدني النشط على سطح الأنود، مما يقلل من كمية الليثيوم المتاحة للدورات المستقبلية، كما يُحدث دوائر قصيرة دقيقة داخل البطارية. وغالبًا ما يلاحظ المستخدمون انخفاض سعة البطارية بنسبة تتراوح بين ٣٪ و٥٪ سنويًّا في الظروف العادية. ومع ذلك، إذا ترك الهاتف في بيئات حارة باستمرار تزيد عن ٣٥ درجة مئوية، فإن هذا الانخفاض قد يتضاعف فعليًّا وفقًا لبعض المعايير الصناعية. وما يجعل هذه المشكلات محبطـةً بشكل خاص هو أنه، على عكس التآكل المادي الذي يصيب أجزاء أخرى من أجهزتنا، فإن هذه التغيرات الكيميائية تتراكم تدريجيًّا مع الزمن ولا يمكن عكسها حتى في الهواتف التي لا تُستخدم كثيرًا. فبعد مرور عامين فقط وهي موضوعة على رف دون استخدام، تظهر على العديد من أجهزة الآيفون علامات واضحة على تدهور صحتها.

لماذا لا يُعتبر "صحة البطارية" (%) مقياسًا مباشرًا للسعة القابلة للاستخدام — وما الذي تعكسه فعليًّا

نسبة صحة البطارية التي تُظهرها شركة آبل ليست قياسًا مباشرًا لسعة البطارية فعليًّا. بل تعتمد بدلًا من ذلك على استجابة البطارية لتغيرات الجهد، وتنظر في أنماط المقاومة الداخلية مع مرور الوقت، وتؤخذ في الاعتبار سجل درجة حرارتها، وكل ذلك وفق معايير السلامة UL 2580. وعندما نرى نسبة ١٠٠٪، فهذا يعني أن كل شيء يعمل ضمن المعايير الطبيعية من حيث استقرار الجهد. أما عند نسبة ٨٥٪ تقريبًا، فتظهر فروقٌ ملحوظة في طريقة تفريغ البطارية للطاقة، رغم أن هذا لا يعني بالضرورة أن ١٥٪ من السعة قد فقدت بالضبط في مكانٍ ما. وما يهم شركة آبل أكثر من غيره هو الحفاظ على موثوقية الأجهزة بدلًا من الدقة المفرطة في الأرقام. ولذلك فإنها توصي باستبدال البطارية أو إجراء الصيانة عندما تنخفض نسبة الصحة إلى ٨٠٪. وهذا لا يعود ببساطة إلى اختفاء ٢٠٪ من السعة، بل لأن أمورًا مثل انخفاض الجهد أثناء الشحن تبدأ حينها في التسبب في مشكلات تؤثر على التشغيل الآمن. وبالتالي، حتى لو أظهر جهازان من هواتف الآيفون نفس نسبة الصحة، فقد تختلف عمر البطارية الفعلي بينهما بشكلٍ كبيرٍ اعتمادًا على طريقة استخدام المستخدمين لها، والحرارة التي تتعرضان لها يوميًّا، وأحيانًا بسبب فروق طفيفة في معايرة البرمجيات بين الجهازين.

درجة الحرارة وعادات الشحن: العوامل الرئيسية التي يمكن للمستخدمين التحكم بها لزيادة عمر بطارية الليثيوم في أجهزة الآيفون

تسارع الحرارة: كيف أن التشغيل المستمر عند درجات حرارة تفوق ٣٥°م يضاعف معدل التدهور في الاستخدام الفعلي

تشغيل هواتف الآيفون باستمرار عند درجات حرارة تزيد عن ٣٥ درجة مئوية يُعد خبرًا سيئًا جدًّا لبطارياتها. وتُظهر أبحاث وزارة الطاقة الأمريكية أن ارتفاع درجة حرارة الهواتف يؤدي إلى تسارع تكوّن طبقة تُعرف باسم «الطبقة الصلبة الكهروكيميائية الصلبة» (SEI)، كما يبدأ الليثيوم في الترسيب على الأقطاب الكهربائية، ما يقلل من عدد مرات شحن الجهاز قبل أن تبدأ البطارية في فقدان قدرتها. ويتفاقم هذا المشكل لأن هواتف الآيفون لا تحتوي على أنظمة تبريد مدمجة، ما يجعلها أكثر حساسية أثناء إجراء أنشطة مثل التنقّل باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، أو لعب الألعاب عبر الهاتف المحمول، أو الشحن اللاسلكي أثناء وجود الهاتف في أماكن دافئة. فحتى ترك هاتف آيفون داخل سيارة مُركونة في يوم مشمس، أو وضعه على لوحة القيادة المعرَّضة لأشعة الشمس مباشرةً، قد يؤدي فعليًّا إلى رفع درجة الحرارة الداخلية للهاتف إلى ما يتجاوز ٥٠ درجة مئوية، مسببًا ضررًا لا يمكن إصلاحه لمكونات البطارية. ولمن يرغب في إطالة عمر هاتفه، هناك عدة خطوات بسيطة يستحق تذكّرها: تجنّب شحن الهاتف أو تشغيل التطبيقات ذات الاستهلاك العالي للطاقة تحت أشعة الشمس المباشرة كلما أمكن ذلك؛ وإيقاف ميزة تحديث التطبيقات في الخلفية أثناء التنقّل داخل المدينة؛ وتذكّر نزع الغطاء الواقي للهاتف قبل الشحن لفترات طويلة، لأن هذه الأغطية غالبًا ما تحبس الحرارة داخل الجهاز.

إعادة النظر في قاعدة ٢٠٪–٨٠٪: الأدلة المتعلقة بعمق التفريغ والتوجيهات العملية للشحن

يؤدي الشحن الجزئي إلى تمديد عمر بطاريات الليثيوم-أيون بشكل ملحوظ. وقد أظهرت دراسات منشورة في مجلة الجمعية الكهروكيميائية أن الحد من عمق التفريغ ضمن النطاق ٢٠٪–٨٠٪ بدلًا من ٠٪–١٠٠٪ يمكن أن يضاعف عدد الدورات الإجمالية الممكن تحقيقها ثلاث مرات، وذلك عبر تقليل إجهاد شبكة الكاثود وقمع ترسيب الليثيوم. وفي الاستخدام اليومي لهواتف آيفون:

• افصل الهاتف عن الشاحن قبل الوصول إلى ١٠٠٪— وبخاصةً أثناء الليل— لأن الاحتفاظ بالبطارية عند الشحن الكامل يرفع الجهد عند الأنود ويسرع التفاعلات الجانبية
• اشحن الهاتف مبكرًا عند مستوى ٢٠٪ تقريبًا، وتجنب التفريغ العميق الذي يُجهد بنية الكاثود
• تمكين الشحن المُحسَّن للبطارية ، والتي تتعلم روتينك اليومي وتؤخر عملية الشحن النهائية إلى ١٠٠٪ حتى وقت الحاجة— مما يقلل الوقت الذي تقضيه البطارية عند حالات الجهد العالي دون الحاجة لتغيير سلوكي