بهینه‌سازی عمر باتری قابل حمل و شارژ شونده

چگونه تخریب لیتیوم-یون عمر باتری‌های قابل شارژ لیتیومی قابل حمل را تحت تأثیر قرار می‌دهد

پیری الکتروشیمیایی: رشد لایه SEI و کاهش ذخیره لیتیوم

تخریب باتری‌های لیتیوم یونی در سطح میکروسکوپی و به دلیل پیری الکتروشیمیایی آغاز می‌شود. نکته مهم اینجاست که چیزی به نام لایه بین‌فاز الکترولیت جامد یا SEI روی آند در طول زمان تشکیل می‌شود. هر بار که دستگاه‌های خود را شارژ می‌کنیم، این لایه ضخیم‌تر و ضخیم‌تر می‌شود. این لایه به یون‌های فعال لیتیوم حمله کرده و مقاومت داخلی باتری را نیز افزایش می‌دهد. نتیجه چیست؟ ظرفیت کلی کمتر و تحویل توان ضعیف‌تر در مواقعی که بیشترین نیاز را داریم، مانند گوشی‌های هوشمند یا لپ‌تاپ‌ها. مشکلات دیگری نیز وجود دارد. مواردی مانند رسوب لیتیوم (lithium plating) که در آن مواد فلزی به جای واکنش‌های شیمیایی مناسب تشکیل می‌شوند، علاوه بر تجزیه الکترولیت که عملاً باعث هدر رفتن بیشتر لیتیوم می‌شود. تحقیقات منتشر شده در مجله جامعه الکتروشیمیایی (Journal of The Electrochemical Society) در سال 2021 نشان داد که پس از حدود 500 چرخه شارژ، اکثر باتری‌ها حدود ۲۰٪ از ظرفیت اولیه خود را از دست می‌دهند. همچنین نباید ترک‌های ریزی را فراموش کرد که در مواد الکترود به دلیل انبساط و انقباض مکرر در حین شارژ و دشارژ ایجاد می‌شوند. این ترک‌ها باعث تشدید سریع‌تر تمام این مشکلات می‌شوند. چیزی که فناوری لیتیوم یونی را از انواع قدیمی‌تر باتری متمایز می‌کند این است که تمام این فرآیند تخریب حتی زمانی که باتری باتری در جیب‌ها یا کشوها به صورت غیرفعال قرار دارد. این دقیقاً نحوهٔ عملکرد بنیادی این منابع انرژی مدرن است.

عمق تخلیه (DoD) و عمر چرخه: داده‌های تجربی DOE چه چیزی را در مورد دستگاه‌های قابل حمل نشان می‌دهند

عمق تخلیه باتری‌ها در دستگاه‌های قابل حمل تأثیر بسزایی بر مدت عمر آن‌ها دارد. طبق تحقیقات انجام‌شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده، حفظ تخلیه‌های سطحی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. باتری‌های لیتیومی که در عمق تخلیه حدود ۳۰ درصد استفاده می‌شوند، معمولاً بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ چرخه شارژ دوام می‌آورند که این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از باتری‌هایی است که به‌طور منظم تا ۸۰ درصد تخلیه می‌شوند. هنگامی که باتری‌ها بیش از حد تحت فشار قرار می‌گیرند، لایه SEI سریع‌تر رشد می‌کند و همچنین پدیده خطرناکی به نام پوشش‌دهی لیتیوم رخ می‌دهد که به‌ویژه در دمای بالا اتفاق می‌افتد. این نوع سوءاستفاده می‌تواند باعث شود باتری‌ها تا ۴۰ درصد سریع‌تر از حالت عادی فرسوده شوند. برای وسایل روزمره مانند پاوربانک یا تجهیزات پزشکی که نیاز به عملکرد قابل اعتماد دارند، محدود کردن عمق تخلیه به حدود ۵۰ درصد، تقریباً ۱۸ تا ۲۴ ماه عمر مفید اضافی به باتری می‌دهد. سازندگان باتری توصیه می‌کنند که سطح شارژ را اکثراً بین ۲۰ تا ۸۰ درصد نگه دارید، نه اینکه هر بار از تخلیه کامل تا شارژ کامل بروید. این روش در کل حدود ۴۰ درصد چرخه‌های قابل استفاده بیشتری فراهم می‌کند؛ بنابراین بسیاری از سازندگان دستگاه‌ها اکنون محصولات خود را با در نظر گرفتن چرخه‌های جزئی طراحی می‌کنند تا عمر باتری را به‌صورت هوشمندانه افزایش دهند.

مدیریت دما برای حداکثر طول عمر باتری لیتیوم قابل شارژ و قابل حمل

محدوده دمای ایده‌آل: چرا دمای ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد تخریب را به حداقل می‌رساند و از صفحه‌شدن لیتیوم یا تنش حرارتی جلوگیری می‌کند

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ قابل حمل، زمانی بهترین عملکرد را دارند که دمای آن‌ها بین حدود ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد حفظ شود. در این محدوده دمای ایده‌آل، رشد لایه بین‌فاز الکترولیت جامد (SEI) به‌طور قابل توجهی کند می‌شود و از دست دادن مواد لیتیوم در طول زمان کاهش می‌یابد. این بدین معناست که باتری عمر طولانی‌تری خواهد داشت بدون آنکه از نظر ایمنی فدا شود. اگر این باتری‌ها در دمای پایین محیط شارژ شوند، پدیده‌ای به نام پلاکینگ لیتیوم رخ می‌دهد، زیرا یون‌ها به‌آهستگی از طریق الکترولیت حرکت می‌کنند. این امر منجر به ایجاد ساختارهای سوزنی خطرناک درون باتری می‌شود که به آن دندریت‌ها گفته می‌شود. از سوی دیگر، شارژ در دمای بالا باعث تسریع تمام واکنش‌های شیمیایی می‌شود که محلول الکترولیت را تجزیه کرده و مقاومت باتری در برابر عبور جریان را افزایش می‌دهد. برای هر کسی که می‌خواهد دستگاه‌هایش برای سال‌ها به خوبی کار کنند، نگهداری باتری در محیطی با دمای پایدار تفاوت بزرگی در جلوگیری از این مشکلات و حفظ عملکرد مناسب در طول زمان ایجاد می‌کند.

تأثیر واقعی: کاهش ۴۰٪ عمر عملیاتی در دمای ۳۵°C نسبت به ۲۰°C — پیامدهای این موضوع برای لپ‌تاپ‌ها، پاوربانک‌ها و تجهیزات پزشکی قابل حمل

وقتی باتری‌ها در دمای بالا کار می‌کنند یا در معرض گرما قرار دارند، اثرات قابل توجهی بر عملکرد آن‌ها در طول زمان دیده می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که در دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد نسبت به دمای استاندارد ۲۰ درجه سانتی‌گراد، عمر باتری حدود ۴۰ درصد کاهش می‌یابد. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که واکنش‌های شیمیایی درون باتری تسریع می‌شوند و باعث پدیده‌هایی مانند تشکیل لایه SEI و تجزیه الکترولیت می‌شوند. کاربران لپ‌تاپ ممکن است این اثر را در محیط‌های گرم تجربه کنند — دستگاه‌های آن‌ها بین هر بار شارژ کمتر دوام می‌آورند و ظرفیت خود را سریع‌تر از حد انتظار از دست می‌دهند. همین موضوع در مورد پاوربانک‌هایی که در ماشین‌های پارک شده در روزهای تابستانی گذاشته می‌شوند نیز صدق می‌کند. این دستگاه‌ها به‌صورت دائمی آسیب می‌بینند و در نتیجه در آینده غیرقابل اعتماد می‌شوند. برای دستگاه‌های پزشکی مانند مانیتورهای قابل حمل بیمار، مدیریت دما کاملاً حیاتی است. بدون کنترل مناسب دما، این وسایل الکترونیکی به‌درستی کار نمی‌کنند و حتی ممکن است خطراتی ایجاد کنند. هرچند راه‌هایی برای کاهش این مشکلات وجود دارد، مانند استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده غیرفعال یا نگه‌داری دستگاه‌ها از تابش مستقیم آفتاب، اما اکثر افراد احتمالاً فقط باید آگاهی بیشتری درباره محل و نحوه نگهداری وسایل الکترونیکی خود داشته باشند.

روش‌های هوشمند تنظیم میزان شارژ برای افزایش طول عمر باتری‌های قابل شارژ لیتیومی قابل حمل

قانون 20-80٪ SOC: تنش ولتاژ، پایداری کاتد و بهبود واقعی در طول عمر

نگه داشتن باتری‌های لیتیوم یونی در محدوده شارژ تقریبی ۲۰٪ تا ۸۰٪ به کاهش تنش الکتروشیمیایی کمک می‌کند و در نهایت باعث افزایش طول عمر آن‌ها می‌شود. هنگامی که سلول‌ها به سطح ولتاژ بالا بالاتر از حدود ۴٫۱ ولت در هر سلول می‌رسند، مشکلاتی در مواد کاتد رخ می‌دهد؛ از جمله تخریب ساختاری و اکسیداسیون الکترولیت. از سوی دیگر، اجازه دادن به باتری برای شارژ خیلی پایین، زیر ۲۰٪، خطراتی از جمله ناپایداری آند و پدیده‌ای به نام پلاستیک شدن غیرقابل برگشت لیتیوم را ایجاد می‌کند. دوری از هر دو این شرایط به این معناست که محدوده شارژ ۲۰ تا ۸۰٪ در واقع تشکیل لایه‌های SEI را کند می‌کند و الکترودها را برای مدت طولانی‌تری سالم نگه می‌دارد. آزمایش‌های واقعی نشان می‌دهند که دستگاه‌هایی که از این الگوی شارژ جزئی پیروی می‌کنند، حدود ۳۰٪ طول عمر بیشتری نسبت به دستگاه‌هایی دارند که به طور منظم از حالت خالی تا کاملاً پر شارژ می‌شوند.

چرا «شارژ کامل تا تخلیه» به باتری‌های قابل شارژ لیتیومی مدرن آسیب می‌زند — رد کردن افسانه‌های قدیمی NiCd

باتری‌های نیکل کادمیوم قبلاً نیاز به تخلیه کامل داشتند تا از مشکلات حافظه جلوگیری شود، اما حالا با فناوری لیتیوم یون چیزها متفاوت عمل می‌کنند. رسیدن کامل به صفر درصد در واقع به این باتری‌ها در طول زمان آسیب می‌زند. هنگامی که مردم به طور مداوم باتری‌ها را کاملاً تخلیه می‌کنند، دو مشکل اصلی پیش می‌آید: مس شروع به حل شدن می‌کند و آند ترک می‌خورد. به این موضوع نگاه کنید که پس از حدود ۵۰۰ سیکل شارژ چه اتفاقی می‌افتد: باتری‌هایی که هر بار به حالت خالی کامل می‌رسند، در مقایسه با باتری‌هایی که بالاتر از ۲۰ درصد نگه داشته شده‌اند، حدود ۲۵ درصد بیشتر ظرفیت از دست می‌دهند. و یک مشکل دیگر هم وجود دارد. تخلیه‌های عمیق می‌توانند چیزی به نام قفل ولتاژ پایین (undervoltage lockout) را در سیستم مدیریت باتری فعال کنند و وقتی این اتفاق بیفتد، گاهی باتری برای همیشه دیگر کار نمی‌کند. به همین دلیل است که تخلیه‌های جزئی بسیار مهم هستند؛ این کار فقط قابل قبول نیست، بلکه واقعاً ضروری است اگر کسی بخواهد باتری‌هایش در طولانی‌مدت دوام بیشتری داشته باشند.

مزایا و معایب استراتژی شارژ: شارژ سریع در مقابل دوام باتری لیتیومی قابل حمل و قابل شارژ مجدد

شارژ سریع قطعاً زندگی را آسان‌تر می‌کند، اما این امر هزینه‌ای نیز دارد. این فرآیند به دلیل گرمای تولید شده و پدیده‌ای به نام پلاکینگ لیتیوم، در واقع سایش باتری را تسریع می‌کند. هنگامی که جریان زیادی از باتری عبور می‌دهیم، گرم می‌شود و این امر باعث رشد غیرکنترل‌شده لایه SEI می‌گردد و لیتیوم‌های ارزشمند را از بین می‌برد. بدتر از آن، رسوبات فلزی به مرور زمان روی آند شکل می‌گیرند. این رسوبات می‌توانند ظرفیت باتری را تا حدود ۴۰ درصد نسبت به روش‌های شارژ معمولی کاهش دهند. شارژ کند باعث حفظ ساختار درونی باتری می‌شود، چون یون‌ها زمان کافی برای حرکت مناسب دارند، اما بیایید صادق باشیم، بیشتر مردم نمی‌خواهند ساعت‌ها منتظر بمانند تا دستگاه‌هایشان شارژ شود، به‌ویژه هنگامی که در حال حرکت هستند. یک قاعده کلی خوب این است که شارژ سریع را فقط برای موارد اضطراری واقعی نگه دارید. برای استفاده روزمره، تا جای ممکن از سرعت شارژ متوسط بین 0.5C تا 1C استفاده کنید. و همیشه به یاد داشته باشید در هنگام شارژ سریع، دمای باتری را زیر نظر داشته باشید تا از آسیب دیدن باتری به دلیل گرمای بیش از حد جلوگیری شود.

راهنمای نگهداری بلندمدت باتری‌های لیتیومی قابل شارژ قابل حمل

شرایط ایده‌آل انبارداری: 40 تا 60 درصد ظرفیت باقی‌مانده (SOC) در دمای 10 تا 15 درجه سانتی‌گراد — مورد تأیید استانداردهای صنعتی

هنگام نگهداری باتری‌های لیتیومی قابل حمل برای دوره‌های طولانی، سطح شارژ حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد را هدف قرار دهید و آن‌ها را در مکانی خنک با دمای بین ۱۰ تا ۱۵ درجه سانتی‌گراد نگه دارید. این نقطه بهینه به جلوگیری از تجزیه مواد شیمیایی داخلی کمک می‌کند و فشار کمتری روی قطعات حساس باتری وارد می‌آورد. اگر دما بالای ۲۵ درجه سانتی‌گراد برسد، وضعیت به سرعت بدتر می‌شود و تجمع گاز اضافی و مشکلات دیگری پیش می‌آید. از سوی دیگر، اجازه دادن به باتری‌ها برای مدت طولانی در سطح پایین انرژی، احتمال حل شدن ذرات فلزی درون آن و آسیب جدی ناشی از تخلیه کامل را افزایش می‌دهد. رطوبت نیز دشمن دیگری است — هر مقدار رطوبت بالای ۶۰ درصد، تماس‌های الکتریکی را تخریب می‌کند؛ بنابراین قرار دادن آن‌ها در ظرفی همراه با ماده خشک‌کننده مانند بسته‌های ژل سیلیکا بهترین راهکار است. استانداردهای معتبر ایمنی باتری (UL 1642, IEC 62133) این دستورالعمل‌ها را تأیید می‌کنند و پیروی از آن‌ها معمولاً به معنای حفظ حدود ۹۸ درصد از ظرفیت اولیه پس از یک سال نگهداری است. فراموش نکنید که وضعیت شارژ را تقریباً هر سه ماه یکبار بررسی کنید و در صورت لزوم، شارژ را تا حدود نصف تکمیل کنید. تخلیه کامل باتری‌ها در حین نگهداری برای باتری‌های لیتیومی خبر بدی است، زیرا ساختار آند را به طور دائمی آسیب می‌زند. برخلاف انواع قدیمی‌تر NiCd که می‌توانستند کمی بی‌توجهی را تحمل کنند، لیتیوم‌های مدرن نیاز به نگهداری منظم دارند تا پس از خارج شدن از حالت نگهداری به درستی کار کنند.

سوالات متداول درباره باتری‌های لیتیومی قابل شارژ قابل حمل

دمای محیط چگونه بر طول عمر باتری لیتیومی تأثیر می‌گذارد؟

دمای محیط تأثیر زیادی بر عملکرد باتری لیتیومی دارد. کار در دمای بالاتر واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کند که منجر به تخریب باتری و کوتاه‌تر شدن عمر آن می‌شود.

محدوده ایده‌آل شارژ کردن باتری‌های لیتیومی چیست؟

نگه‌داری شارژ باتری‌های لیتیومی در محدوده ۲۰ تا ۸۰ درصد ایده‌آل است، زیرا این کار باعث کاهش تنش واردشده به باتری و افزایش عمر آن می‌شود.

چرا شارژ سریع برای سلامت باتری مضر است؟

شارژ سریع گرمای بیشتری تولید می‌کند و جریان بیشتری می‌طلبد که این امر سایش را تسریع کرده و باعث تشکیل رسوبات لیتیوم و کاهش ظرفیت باتری می‌شود.

بهترین شرایط نگهداری برای باتری‌های لیتیومی چیست؟

باتری‌های لیتیومی را در شارژ ۴۰ تا ۶۰ درصدی و در محیطی خنک با دمای بین ۱۰ تا ۱۵ درجه سانتی‌گراد نگه‌داری کنید تا تجزیه شدن شیمیایی به حداقل برسد و طول عمر آن به حداکثر برسد.