تحسين عمر البطارية القابلة لإعادة الشحن المحمولة

كيف تؤثر تدهور الليثيوم أيون على عمر البطارية القابلة لإعادة الشحن المحمولة

الشيخوخة الكهروكيميائية: نمو طبقة SEI وفقدان مخزون الليثيوم

يبدأ تحلل بطاريات الليثيوم أيون على المستوى المجهري بسبب الشيخوخة الكهروكيميائية. ما يهم حقًا هنا هو شيء يُعرف بطبقة التفاعل بين الإلكتروليت والقطب الصلب (SEI layer)، والتي تتكون على القطب السالب مع مرور الوقت. كلما واصلنا شحن أجهزتنا، تزداد هذه الطبقة سماكةً باستمرار. فهي تستهلك الأيونات النشطة من الليثيوم، كما تؤدي إلى ارتفاع مقاومة البطارية الداخلية. والنتيجة؟ انخفاض السعة الكلية وضعف تدفق الطاقة عند الحاجة إليها أكثر، مثل الهواتف الذكية أو الحواسيب المحمولة. وهناك مشكلات أخرى أيضًا. مثل ترسب الليثيوم، حيث تتكوّن رواسب معدنية بدلًا من التفاعلات الكيميائية السليمة، بالإضافة إلى تحلل الإلكتروليت الذي يؤدي في الأساس إلى هدر المزيد من الليثيوم. وقد بيّنت دراسة نُشرت في مجلة الجمعية الكهروكيميائية عام 2021 أنه بعد حوالي 500 دورة شحن، تفقد معظم البطاريات نحو 20٪ من سعتها الأصلية. ولا ننسَ ظهور الشقوق الدقيقة في مواد الأقطاب نتيجة التمدد والانكماش المتكرر أثناء عمليات الشحن. هذه الشقوق تُسرّع من تفاقم جميع المشكلات. ما يميّز تقنية الليثيوم أيون عن أنواع البطاريات الأقدم هو أن هذا التدهور يحدث حتى عندما تكون بطارية تبقى غير مستخدمة في جيوبنا أو أدراجنا. بهذه الطريقة تعمل هذه المصادر الكهربائية الحديثة بشكل أساسي.

مدى التفريغ (DoD) ودورة العمر: ما تُظهره بيانات وزارة الطاقة التجريبية للأجهزة المحمولة

إن مدى عمق تفريغ بطارياتنا يُعد أمرًا بالغ الأهمية من حيث المدة التي تدوم فيها البطاريات في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. وفقًا لأبحاث وزارة الطاقة الأمريكية، فإن الحفاظ على تفريغات سطحية يُحدث فرقًا كبيرًا. عادةً ما تدوم البطاريات الليثيومية عند استخدامها بنسبة تفريغ حوالي 30٪ بين 3000 إلى 5000 دورة شحن، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف عمر البطاريات التي يتم تفريغها بشكل منتظم حتى 80٪. عندما نُجهد البطاريات كثيرًا، فإن طبقة تُعرف باسم طبقة SEI تنمو بسرعة أكبر، بالإضافة إلى ظاهرة خطرة تُسمى الطلاء الليثيومي التي تحدث خاصة عند ارتفاع درجات الحرارة. يمكن أن يؤدي هذا النوع من الاستخدام المفرط إلى تدهور البطاريات أسرع بنسبة تصل إلى 40٪ مقارنة بالوضع الطبيعي. بالنسبة للأجهزة اليومية مثل الشواحن المتنقلة أو المعدات الطبية التي تتطلب أداءً موثوقًا، فإن الالتزام بنحو 50٪ من عمق التفريغ يضيف تقريبًا من 18 إلى 24 شهرًا إضافيًا من عمر الخدمة. وتوصي شركات تصنيع البطاريات بالإبقاء على مستويات الشحن بين 20٪ و80٪ معظم الوقت، بدلاً من الشحن من الفارغ تمامًا إلى الكامل تمامًا. يوفر هذا الأسلوب حوالي 40٪ أكثر من دورات الاستخدام الإجمالية، ولذلك صممت العديد من شركات تصنيع الأجهزة منتجاتها حاليًا مع الأخذ بعين الاعتبار الدورات الجزئية كوسيلة ذكية لتمديد عمر البطارية.

إدارة درجة الحرارة للحصول على أقصى عمر افتراضي للبطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن المحمولة

النطاق الحراري المثالي: لماذا يقلل النطاق من 15 إلى 25°م من التدهور مع تجنب ترسب الليثيوم أو الإجهاد الحراري

تعمل البطاريات الليثيومية القابلة لإعادة الشحن والمتنقلة بشكل أفضل عندما تُحفظ بين 15 و25 درجة مئوية تقريبًا. وعندما تكون في هذا النطاق المثالي من درجات الحرارة، فإن نمو طبقة التفاعل الإلكتروليتي الصلبة (SEI) يتباطأ بشكل كبير، وتقل خسارة مادة الليثيوم مع مرور الوقت. وهذا يعني أن عمر البطارية يطول دون التأثير على السلامة. إذا قمنا بشحن هذه البطاريات في درجات حرارة منخفضة جدًا، فقد يحدث ما يُعرف بتَرسيب الليثيوم، وذلك بسبب تباطؤ حركة الأيونات عبر الإلكتروليت. وهذا يؤدي إلى تكوّن هياكل حادة وخطيرة داخل البطارية تُشبه الإبر وتُعرف بالفرعيات (Dendrites). من ناحية أخرى، يؤدي الشحن في درجات حرارة عالية إلى تسريع التفاعلات الكيميائية المختلفة التي تُحلّل محلول الإلكتروليت وتجعل البطارية تقاوم مرور التيار بشكل أكبر. ولأي شخص يرغب في أن تستمر أجهزته في الأداء الجيد لسنوات، فإن حفظ البطاريات في مكان ذي درجة حرارة مستقرة يُحدث فرقًا كبيرًا في تجنّب هذه المشكلات والحفاظ على أداء جيد على المدى الطويل.

التأثير في العالم الواقعي: انخفاض بنسبة 40٪ في العمر الافتراضي عند 35°م مقارنة بـ 20°م — ما يعنيه ذلك لأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والبنوك الكهربائية، والأجهزة الطبية المحمولة

عندما تعمل البطاريات أو تبقى في درجات حرارة مرتفعة، تظهر تأثيرات حقيقية على أدائها مع مرور الوقت. تشير الدراسات إلى أن عمر البطارية ينخفض بنسبة حوالي 40٪ عند درجة حرارة 35 مئوية مقارنة بالمستوى القياسي البالغ 20 مئوية. ويحدث هذا بسبب تسارع التفاعلات الكيميائية داخل البطارية، ما يؤدي إلى أمور مثل تراكم طبقة SEI وتحلل الإلكتروليت. قد يلاحظ مستخدمو أجهزة الكمبيوتر المحمولة هذا التأثير عند العمل في بيئات دافئة - حيث لا تدوم أجهزتهم بنفس المدة بين الشحنات، وتفقد سعتها بسرعة أكبر من المتوقع. وينطبق الأمر نفسه على الشواحن المتنقلة التي تُنسى في السيارات أثناء أيام الصيف الحارة. فهذه الأجهزة تتعرض للتلف الدائم، ما يجعلها غير موثوقة لاحقًا. بالنسبة للأجهزة الطبية مثل أجهزة مراقبة المرضى المحمولة، فإن التحكم في درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية. فبدون التحكم السليم في الحرارة، قد لا تعمل هذه الأجهزة بشكل صحيح، بل وقد تشكل خطرًا. وعلى الرغم من وجود طرق للمساعدة في تخفيف هذه المشكلات، مثل إضافة أنظمة تبريد سلبية أو تجنب تعريض الأجهزة لأشعة الشمس المباشرة قدر الإمكان، فإن معظم الناس ربما يحتاجون فقط إلى وعي أكبر بشأن مكان وكيفية تخزين أجهزتهم الإلكترونية.

ممارسات ذكية لحالة الشحن لتمديد عمر البطاريات الليثيومية القابلة لإعادة الشحن المحمولة

قاعدة 20-80% لحالة الشحن: إجهاد الجهد، واستقرار الكاثود، والمكاسب الفعلية في العمر الافتراضي

الحفاظ على شحن بطاريات الليثيوم أيون بين حوالي 20٪ و80٪ يساعد في تقليل الإجهاد الكهروكيميائي ويجعلها تدوم لفترة أطول بشكل عام. عندما تصل الخلايا إلى مستويات جهد عالية تزيد عن حوالي 4.1 فولت لكل خلية، تبدأ المشاكل بالظهور في مواد الكاثود حيث تتدهور هيكليًا ويتأكسد الإلكتروليت. من ناحية أخرى، ترك البطاريات تنخفض كثيرًا إلى أقل من 20٪ من الشحن يخلق مخاطر تتعلق بأنود غير مستقر وظاهرة تُعرف باسم طلاء الليثيوم غير العكوس. تجنب كلا الوضعين يعني أن نطاق الشحن من 20 إلى 80٪ يبطئ فعليًا من تكوين طبقات SEI ويحافظ على الأقطاب لمدد أطول. تُظهر الاختبارات الواقعية أن الأجهزة التي تلتزم بنمط الشحن الجزئي هذا تميل إلى أن تدوم حوالي 30٪ أطول من الأجهزة التي تُشحن بانتظام من الفارغ تمامًا إلى الممتلئ تمامًا.

لماذا يضر 'تفريغ البطاريات بالكامل' بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن الحديثة المتنقلة من نوع الليثيوم — دحض أساطير البطاريات النيكل-كادميوم القديمة

كانت بطاريات النيكل والكادميوم تحتاج سابقًا إلى تفريغ كامل لتجنب مشكلة الذاكرة، لكن الأمور تعمل بشكل مختلف الآن مع تقنية الليثيوم أيون. إن تفريغ البطارية بالكامل حتى تصل إلى صفر بالمئة يضر بهذه البطاريات على المدى الطويل. وعندما يُستمر في تفريغها بالكامل، تحدث مشكلتان رئيسيتان: بدء ذوبان النحاس وتشقق المصعد. انظر إلى ما يحدث بعد حوالي 500 دورة شحن؛ فالبطاريات التي تُفرغ بالكامل في كل مرة تفقد تقريبًا 25٪ أكثر من سعتها مقارنة بتلك التي تُحافظ على شحنتها فوق 20٪. وهناك أيضًا مشكلة أخرى. يمكن أن يؤدي التفريغ العميق إلى ما يُعرف بحالة قفل الجهد المنخفض في نظام إدارة البطارية، وعند حدوث ذلك، قد تتوقف البطارية عن العمل إلى الأبد. ولهذا السبب فإن التفريغ الجزئي مهم جدًا؛ ليس مجرد خيار مقبول، بل أمر بالغ الأهمية لمن يرغب في إطالة عمر البطاريات على المدى الطويل.

مقايضات استراتيجية الشحن: الشحن السريع مقابل متانة البطاريات القابلة لإعادة الشحن المحمولة

الشحن السريع يُسهل بالتأكيد الحياة، ولكنه يأتي بثمن. في الواقع، تتسبب هذه العملية في تسريع تآكل البطارية بسبب الحرارة الناتجة وظاهرة تُعرف باسم ترسيب الليثيوم. عندما ندفع تيارًا كبيرًا جدًا عبر البطاريات، تسخن البطارية، مما يؤدي إلى نمو طبقة SEI بشكل غير خاضع للرقابة ويؤدي إلى استهلاك أيونات الليثيوم الثمينة. والأمر أسوأ من ذلك، حيث تبدأ الرواسب المعدنية في التكون على المصعد مع مرور الوقت. ويمكن أن تقلل هذه الرواسب سعة البطارية بنسبة تصل إلى حوالي 40٪ مقارنة بأساليب الشحن العادية. أما الشحن البطيء فيحافظ على البنية الداخلية للبطارية لأن الأيونات لديها وقت كافٍ للتحرك بشكل صحيح، ولكن دعنا نواجه الأمر، فإن معظم الناس لا يرغبون في الانتظار لساعات لشحن أجهزتهم أثناء تنقلاتهم. إن القاعدة العامة الجيدة هي الاحتفاظ بالشحن السريع للحالات الطارئة فقط. وللاستخدام اليومي، التزم بسرعات شحن معتدلة تتراوح بين 0.5C و1C كلما أمكن ذلك. ولا تنسَ مراقبة درجة الحرارة أثناء الشحن السريع لتجنب إتلاف البطارية نتيجة ارتفاع درجة حرارتها الزائدة.

إرشادات التخزين طويل الأجل للبطاريات الليثيومية القابلة لإعادة الشحن المحمولة

ظروف التخزين المثالية: شحن بنسبة 40–60% عند درجة حرارة 10–15°م — تم التحقق منها وفقًا للمعايير الصناعية

عند تخزين البطاريات الليثيومية المحمولة لفترات طويلة، يُفضل أن تكون نسبة الشحن حوالي 40-60% وأن تُحفظ في مكان بارد تتراوح درجة حرارته بين 10 و15 درجة مئوية. هذا النطاق المثالي يساعد على منع تحلل المواد الكيميائية الداخلية ويقلل الضغط على الأجزاء الحساسة للبطارية. إذا ارتفعت درجات الحرارة فوق 25 درجة، تبدأ الأمور بالتدهور بسرعة مع زيادة تراكم الغازات وغيرها من المشاكل. ومن ناحية أخرى، فإن ترك البطاريات بمستوى طاقة منخفض جدًا يزيد من احتمالية ذوبان جزيئات معدنية داخلها وتعرضها لأضرار جسيمة بسبب التفريغ التام. الرطوبة عدو آخر – فأي رطوبة تزيد عن 60% ستعمل على تآكل نقاط التوصيل، لذا يُفضل وضعها في وعاء مع مادة مجففة مثل أكياس السيليكا جيل. تدعم الجهات الرائدة في مجال سلامة البطاريات (مثل UL 1642، IEC 62133) هذه الإرشادات، واتباعها يعني عادةً الحفاظ على نحو 98% من السعة الأصلية بعد عام من التخزين. ولا تنسَ التحقق من حالة الشحن كل ثلاثة أشهر تقريبًا وإعادة الشحن إلى نحو النصف عند الحاجة. إن التفريغ الكامل أثناء التخزين أمر سيء للغاية بالنسبة للبطاريات الليثيومية لأنه يتسبب في إتلاف هيكل الأنود بشكل دائم. وعلى عكس أنواع NiCd القديمة التي كانت تتحمل بعض الإهمال، تحتاج البطاريات الحديثة من نوع الليثيوم إلى عناية منتظمة كي تعمل بشكل صحيح بعد إخراجها من التخزين.

الأسئلة الشائعة حول البطاريات الليثيومية القابلة لإعادة الشحن المحمولة

كيف تؤثر درجة الحرارة على عمر بطارية الليثيوم؟

تؤثر درجة الحرارة تأثيراً كبيراً على أداء بطارية الليثيوم. حيث يؤدي التشغيل عند درجات حرارة أعلى إلى تسريع التفاعلات الكيميائية التي تُسبب تدهور البطارية، مما يُقصر من عمرها الافتراضي.

ما النطاق المثالي للشحن بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون؟

إن الحفاظ على شحن يتراوح بين 20% و80% هو النطاق المثالي لبطاريات الليثيوم أيون، لأنه يقلل من الإجهاد الواقع على البطارية ويُطيل عمرها.

لماذا يكون الشحن السريع ضاراً بصحة البطارية؟

يُنتج الشحن السريع حرارة أكبر ويستهلك تياراً أعلى، مما يسرّع من عملية التآكل ويؤدي إلى تكوّن رواسب الليثيوم التي تقلّل من السعة.

ما أفضل ظروف تخزين للبطاريات الليثيومية؟

يجب تخزين البطاريات الليثيومية عند شحن يتراوح بين 40% و60% وفي بيئة باردة تتراوح درجة حرارتها بين 10-15°م لتقليل التحلل الكيميائي وتحقيق أقصى عمر افتراضي.