قم بتحسين نطاق حالة الشحن لتقليل الإجهاد الكهروكيميائي

الحفاظ على صحة بطاريات الليثيوم مع مرور الوقت يعني إدارة طريقة شحنها بشكل صحيح. عندما نلتزم بشحن البطارية بين حوالي 20٪ و80٪، بدلاً من تركها تنفد تمامًا ثم شحنها بالكامل، فإن الأقطاب الكهربائية داخل البطارية تتعرض لأقل من 58٪ من الإجهاد وفقًا للبحث الذي أجرته الجمعية الكهروكيميائية عام 2023. تساعد هذه الاستراتيجية التي تُعرف بـ"الحل الوسط" في منع مشاكل مثل ترسيب الليثيوم على القطب السالب (الأنيود) وتشققات تحدث في مادة القطب الموجب (الكاثود)، وهي أسباب رئيسية لتدهور البطاريات مع مرور الوقت. خذ الهواتف الذكية كمثال واقعي. تلك الأجهزة التي توقف الشحن عند الوصول إلى 80٪ تحتفظ بنحو 92٪ من سعتها الأصلية حتى بعد إتمام 500 دورة شحن كاملة. قارن ذلك بالهواتف التي تُشحن بالكامل كل مرة، والتي تحتفظ فقط بحوالي 78٪ من سعتها الأولية بعد نفس العدد من الدورات.

لماذا يقلل نطاق 20٪–80٪ من حالة الشحن (SoC) من التدهور ويعظم عمر دورة البطارية الليثيومية

تسرّع الحالات المستمرة للشحن العالية أو المنخفضة من البلى الكيميائي:

• أعلى من 90% من سعة الشحن (SoC) : تؤدي أكسدة الإلكتروليت إلى فقدان شهري في السعة بنسبة ~1.2%
• أقل من 15% من سعة الشحن (SoC) : يؤدي تحلل المصعد إلى تدهور شهري بنسبة ~0.8%

أكدت دراسة أجرتها جامعة ميشيغان (2023) أن استراتيجية الشحن الجزئي هذه تضاعف عمر الدورة أربع مرات مقارنةً بالتفريغ العميق.

تأثير عمق التفريغ (DoD): من 300 دورة عند 100% DoD إلى أكثر من 1,200 دورة عند 30% DoD

يُطيل التفريغ الضحل عمر التشغيل بشكل كبير:

يقلل تحديد عمق التفريغ إلى 30% من الإجهاد الهيكلي، مما يسمح بأكثر من 1,200 دورة مع الحفاظ على سعة تزيد عن 90% – وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات مثل المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.

التحكم في درجة الحرارة لمنع الشيخوخة المتسارعة حرارياً

التدهور الحراري: كيف تقلل كل زيادة +10°م فوق 25°م من عمر دورة بطارية الليثيوم بنسبة ~50%

عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير جدًا، فإنها تُحفّز تفاعلات كيميائية داخل بطاريات الليثيوم تؤدي إلى تلف دائم مع مرور الوقت. تشير الدراسات إلى أنه إذا ارتفعت درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية فقط فوق العلامة القياسية البالغة 25°م، فإن البطارية تتقدم في العمر بنحو نصف المعدل الطبيعي، ما يعني عدد دورات شحن أقل بشكل إجمالي. خذ على سبيل المثال بطارية تم تصميمها لأداء 1000 دورة — إذا كانت تعمل بشكل منتظم عند حوالي 35°م بدلاً من ذلك، فقد لا تصل سوى إلى نحو 500 دورة قبل أن تخسر قدرتها بشكل كبير. والسبب؟ إن الحرارة تُحلل محلول الإلكتروليت، وتؤدي إلى تكاثف طبقة SEI الواقية أكثر من المعتاد، كما تُسبّب تسرب المعادن الموجودة في الكاثود إلى داخل النظام. وحتى عندما لا تُستخدم البطاريات بشكل فعّال، فإن الاحتفاظ بها في بيئة دافئة يُسرّع معدل تدهورها بشكل كبير. ويظل الحفاظ على التشغيل تحت 30°م من خلال إدارة حرارية مناسبة أمرًا بالغ الأهمية للحصول على أقصى استفادة من بطاريات الليثيوم في التطبيقات الواقعية الجادة التي تكون فيها الأداءات هي الأكثر أهمية.

مخاطر الشحن البارد: ترسب الليثيوم وفقدان دائم للسعة عند درجات حرارة أقل من 0°م

عند شحن بطاريات الليثيوم في ظروف التجمد، يحدث شيء سيئ لتلك أيونات الليثيوم. بدلاً من الانتقال إلى مادة الأنود حيث ينبغي أن تذهب، تبدأ في تكوين بلورات معدنية على السطح. نحن نسمي هذه المشكلة بأكملها "تسلُّح الليثيوم". وما يزيد الأمور سوءًا هو أنه بمجرد بدء حدوث ذلك، فإن الضرر يكون دائمًا بشكل أساسي. وفي كل مرة يحدث فيها ذلك، تنخفض السعة بنسبة تتراوح بين 5٪ و20٪، وتتراكم هذه التكوينات البلورية كأغصان صغيرة داخل البطارية، مما قد يؤدي إلى دوائر قصر خطيرة. وتصبح الأمور معقدة للغاية عند درجات الحرارة تحت الصفر المئوية، لأن الأيونات لا تتحرك تقريبًا كما ينبغي. وترتفع المقاومة داخل البطارية ارتفاعًا كبيرًا، أحيانًا إلى ثلاثة أضعاف قيمتها الطبيعية، ما يتسبب في حدوث قفزات جهد مزعجة أثناء الشحن. تُظهر الأبحاث أنه إذا خضعت بطارية لعشر دورات شحن فقط عند عشر درجات مئوية تحت الصفر، فإنها تعاني من نفس درجة البلى والتمزق الناتج عن مائة دورة شحن في درجة حرارة الغرفة. ولتجنب كل هذه المشكلات، يوصي معظم الخبراء بتسخين البطاريات إلى درجة حرارة لا تقل عن خمس درجات مئوية قبل بدء عملية الشحن. إن هذه الخطوة البسيطة تساعد في الحفاظ على عمر البطارية حتى في تلك الظروف الشتوية القاسية التي يواجهها الكثيرون.

استخدم أنظمة إدارة البطاريات الذكية للحماية الاستباقية

تعمل أنظمة إدارة البطاريات (BMS) كعقل البطاريات الليثيومية، حيث تراقب باستمرار عوامل مثل مستويات الجهد، وتدفق التيار، والتغيرات في درجة الحرارة، ومقدار الشحنة المتبقية داخل البطارية. وتُبذل هذه الأنظمة جهداً كبيراً لمنع البطاريات من التآكل السريع. فعندما يتراكم جهد أو حرارة زائدة، تقوم بتباطؤ سرعة الشحن تلقائيًا أو قطع التيار تمامًا لحمايتها من التلف. كما تضمن الأنظمة الجيدة ألا تنفد البطاريات بالكامل، لأن هذا قد يقلل عمرها الافتراضي بشكل كبير — وأحيانًا يختصره بنسبة تصل إلى ثلاثة أرباع مقارنة بالإفراغ الجزئي فقط. ويُعد التحكم في درجة الحرارة ميزة رئيسية أخرى، إذ يمكن أن يؤدي ارتفاع طفيف بمقدار 10 درجات مئوية فوق درجة حرارة الغرفة إلى تقليص عمر البطارية بنحو النصف. وتأتي بعض الموديلات الأحدث مزودة ببرمجيات ذكية تكتشف المشاكل بين الخلايا قبل أن تصبح كبيرة، ثم تقوم بإعادة توزيع الطاقة لتحقيق التوازن ومنع مناطق معينة من الشيخوخة بشكل أسرع من غيرها. وتساعد جميع هذه الحمايات معًا في إطالة عمر البطاريات الليثيومية وتقليل حالات الفشل الخطيرة بشكل كبير، مثل الانطلاق الحراري الذي نسمع عنه أحيانًا في التقارير الإخبارية.

تطبيق ممارسات التخزين والصيانة الصحيحة لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل

التخزين المثالي عند مستوى شحن يتراوح بين 40٪ و60٪ في ظروف باردة وجافة: يقلل من عملية الشيخوخة الزمنية بنسبة تصل إلى 70٪

تستمر بطاريات الليثيوم لفترة أطول بكثير عند تخزينها بشكل صحيح، لأن ذلك يساعد على منع ما يُعرف بالشيخوخة الزمنية، وهي في الأساس فقدان السعة نتيجة الجلوس دون استخدام. إن الحفاظ على شحن البطارية بين 40٪ و60٪ يقلل من الضغط الواقع على المكونات الداخلية، كما أن تخزينها في مكان بارد نسبيًا، ويُفضّل أن تكون درجة الحرارة فيه بين 15 و25 درجة مئوية، يُبطئ التفاعلات الكيميائية التي تؤدي في النهاية إلى تلف المكونات من الداخل. كما ينبغي ألا تكون الرطوبة في الهواء مرتفعة جدًا، إذ إن نسبة رطوبة أقل من 50٪ هي الأنسب، لأن الرطوبة الزائدة قد تسبب مشكلات مثل التآكل أو حتى تسرب السوائل من البطارية نفسها. إن اتباع هذه الإرشادات يحدث فرقًا حقيقيًا، حيث يمكن أن يقلل من فقدان السعة السنوي بنسبة تصل إلى 70٪ مقارنةً بترك البطاريات بشحنتها الكاملة في ظروف أكثر حرارة حول 35 درجة مئوية. على أي شخص يخطط لتخزين البطاريات لفترة طويلة أن يتحقق من جهدها بين الحين والآخر للتأكد من بقائها ضمن النطاق الأمثل. هذه الخطوة البسيطة تمنع تلفها بسبب التفريغ التام خلال أشهر أو سنوات من عدم الاستخدام.

تجنب الظروف ذات الشحن العالي والمفرط التي تؤدي إلى تسريع التدهور

التجهيزات المرتبطة بالشحن السريع: انخفاض بنسبة 20–30% في عمر دورة البطارية الليثيومية عند الشحن بسرعة 2C مقارنةً بالشحن القياسي 0.5C

عندما نتحدث عن دورات الشحن والتفريغ السريعة، فإن خلايا الليثيوم أيون تتعرض لضغط شديد من الناحية الكهروكيميائية. يعني الشحن بمعدل 2C شحن البطارية بالكامل في نصف ساعة فقط، ولكن هذا يأتي بتكلفة. تُظهر الدراسات أن البطاريات التي تتعرض لهذه الظروف لا تدوم عادةً سوى حوالي 70 إلى 80٪ مقارنة بتلك المشحونة بالمعدل القياسي 0.5C. وتكمن الأسباب وراء هذا التدهور في ما يحدث داخل الخلية أثناء هذه العمليات السريعة. فالأيونات المتحركة بسرعة تؤدي إلى تحلل أسرع للإلكتروليت، كما تسرّع من تكوين طبقة SEI على الأقطاب، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل السعة الكلية مع مرور الوقت. ولا ننسَ أيضًا موضوع الشحن الزائد. يؤدي هذا السلوك إلى حدوث مجموعة من التفاعلات الكيميائية الضارة داخل البطارية، والتي يمكن أن تضر بشكل كبير بالمكونات الداخلية وتقلّص عمرها الافتراضي بشكل ملحوظ.

• خطر التصاعد الحراري : يؤدي الفولت الزائد إلى تراكم الحرارة (>60°م)، مما يسرّع من تدهور القطب الموجب
• ترسيب الليثيوم : تتكون رواسب الليثيوم المعدنية على الأقطاب السالبة عند درجات حرارة أقل من 0°م أثناء الشحن، مما يؤدي إلى فقدان سعة لا يمكن عكسه
• الضرر الهيكلي : يؤدي الشحن الزائد إلى تمدد أقطاب الجرافيت السالبة بما يتجاوز الحدود المصممة لها، ما يسبب تشقق مواد الإلكترود

تُوازن بروتوكولات الشحن المثلى بين السرعة والعمر الافتراضي. ولتحقيق أقصى عمر دوري لبطاريات الليثيوم، يُوصى بالحد من شحن البطارية إلى أقل من ‹1C متى أمكن، واستخدام شواحن ذكية تتوقف تلقائيًا عند الوصول إلى جهد 100%. تستفيد التطبيقات عالية الاستهلاك (مثل أدوات التشغيل) من أنظمة إدارة الحرارة للحد من التدهور أثناء عمليات الدورات السريعة.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

ما النطاق المثالي لنسبة الشحن (SoC) لبطاريات الليثيوم؟

النطاق المثالي لنسبة الشحن (SoC) لبطاريات الليثيوم هو بين 20% و80%، لأن هذا يقلل من الإجهاد الكهروكيميائي ويطيل عمر البطارية.

كيف تؤثر درجة الحرارة على العمر الدوري لبطاريات الليثيوم؟

يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10°م فوق درجة حرارة التشغيل القياسية البالغة 25°م إلى تقليل عمر دورة بطارية الليثيوم بنحو 50٪، في حين يمكن أن يؤدي التشغيل في ظل ظروف التجمد إلى ترسب الليثيوم وفقدان دائم للسعة.

ما هو ترسب الليثيوم؟

يحدث ترسب الليثيوم عندما تشكل أيونات الليثيوم بلورات معدنية على سطح الأنود في البطارية أثناء الشحن عند درجات حرارة التجمد، مما يؤدي إلى فقدان لا رجعة فيه للسعة.

كيف تحمي أنظمة إدارة البطارية (BMS) بطاريات الليثيوم؟

تحمي أنظمة إدارة البطارية (BMS) بطاريات الليثيوم من خلال مراقبة الجهد والتيار ودرجة الحرارة ومستويات الشحن، ثم تعديل سرعات الشحن تلقائيًا أو قطع التيار لمنع التلف.