فهم عمر دورة البطاريات الليثيومية وأهميته

تعريف عمر دورة البطارية الليثيومية ودورات الشحن

يشير مصطلح عمر الدورة بشكل أساسي إلى عدد المرات التي يمكن فيها للبطارية الليثيومية أن تخضع لدورة شحن وتفريغ كاملة قبل أن تبدأ في فقدان قوتها - عادةً عندما تنخفض إلى حوالي 70 إلى 80 بالمئة من سعتها الأصلية. ضع في اعتبارك أن الدورة الكاملة تعني استهلاك كامل طاقة البطارية، إما مرة واحدة أو على مراحل. إذًا إذا استخدم شخص نصف طاقة البطارية مرتين، فهذا يُحتسب كدورة واحدة كاملة. تدوم معظم بطاريات الليثيوم أيون هذه الأيام بين 500 إلى 1500 دورة تقريبًا. بعض النماذج الأحدث المصممة خصيصًا لتطبيقات مثل شبكات الطاقة تتجاوز هذا الحد بشكل كبير، حيث تصل إلى أكثر من 6000 دورة وفقًا للتقارير الصناعية الصادرة السنة الماضية. وهذا مهم لأن عمر دورة أطول يعني قيمة أفضل للمال على المدى الطويل.

دور عمر الدورة في أنظمة الطاقة المستدامة

عندما تدوم البطاريات لفترة أطول بين عمليات الاستبدال، فهذا يعني أن كمية النفايات الإلكترونية التي تنتهي في مكبات النفايات ستكون أقل، كما أن استهلاكنا للمواد الخام سيقل بشكل عام. خذ على سبيل المثال بطاريات المركبات الكهربائية. إذا كانت بطارية ما يمكن أن تمر بحوالي 1200 دورة شحن بدلاً من 500 فقط، فلن يحتاج أصحاب المركبات إلى استبدالها لمدة تتراوح بين أربع إلى سبع سنوات. وهذا يعادل توفير حوالي 19 كجم من المواد الخام لكل كيلوواط/ساعة يتم تخزينه. يصبح عامل المتانة مهمًا جدًا عند الحديث عن تخزين الطاقة المتجددة. تولد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح الطاقة بشكل متقطع، لذا فإن امتلاك أنظمة تخزين تواصل العمل بشكل موثوق لسنوات عديدة يُحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على استقرار إمدادات الكهرباء على مدى عقود من التشغيل.

متوسط عمر بطاريات الليثيوم أيون تحت ظروف الاستخدام العادية

تحت الظروف النموذجية، تحافظ البطاريات الليثيومية على 80٪ من سعتها الأولية لمدة:

• الهواتف الذكية/أجهزة الكمبيوتر المحمولة : 300–500 دورة (1–3 سنوات)
• بطاريات المركبات الكهربائية : 1,000–1,500 دورة (8–12 سنة)
• التخزين الشمسي : 3000–6000 دورة (15–25 سنة)

يمكن تشغيل البطارية ضمن نطاق شحن 20%–80% أن يطيل عمرها الدوراني بنسبة تصل إلى 40% مقارنة بالدورات الكاملة من 0% إلى 100%.

العوامل الرئيسية المؤثرة في تدهور بطاريات الليثيوم أيون

تأثير الحرارة ودرجة الحرارة على صحة البطارية

عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير، فإنها تسرع التفاعلات الكيميائية داخل بطاريات الليثيوم، مما يؤدي في النهاية إلى تدهور حالتها. تشير الدراسات إلى حدوث شيء مثير للقلق إلى حدٍ ما عند هذه المرحلة: فمع كل زيادة بمقدار 15 درجة فوق درجة حرارة الغرفة (حوالي 25 درجة مئوية)، يتضاعف تدهور البطارية بشكلٍ أساسي. لماذا؟ وذلك لأن طبقة واجهة الإلكتروليت الصلبة تزداد سماكةً، ويحدث المزيد من ترسيب الليثيوم. وإذا ظلت هذه البطاريات ساخنة لفترات طويلة، مثلاً حوالي 45 درجة مئوية، فإن عمرها الافتراضي ينخفض بشكل كبير. نحن نتحدث هنا عن انخفاض بنسبة 40 بالمائة تقريباً في عدد الدورات قبل التلف مقارنةً بالظروف التشغيلية الطبيعية عند 20 درجة. هذه الاستنتاجات ناتجة عن اختبارات حديثة لإجهاد الحرارة أُجريت في عام 2024، والتي تسلط الضوء على مدى حساسية هذه المصادر للطاقة تجاه الحرارة.

تأثيرات الإفراط في الشحن والتفريغ العميق على عمر بطاريات الليثيوم الطويل

سيؤدي تجاوز حدود الجهد إلى إتلاف البطاريات بشكل دائم. عندما يتم شحن الخلايا فوق 4.2 فولت، تبدأ في ترسيب الليثيوم المعدني على أسطحها. وإذا تم تفريغها لتصل إلى أقل من 2.5 فولت لكل خلية، فإن الأجزاء النحاسية الموجودة داخلها تبدأ في الذوبان فعليًا. تشير نتائج المختبر إلى شيءٍ مثيرٍ للاهتمام أيضًا. البطاريات التي تُستخدم بدورة تفريغ عميقة بنسبة 100% تدوم أقل بحوالي 300 دورة من تلك التي تتوقف عند 50% من العمق. هذا فرق كبير في التطبيقات الواقعية. تحتوي معظم الأجهزة الحديثة الآن على أنظمة إدارة البطارية تعمل كحارس ضد هذه القيم الخطرة. تقوم وحدات نظام إدارة البطارية هذه بإنشاء هوامش أمان بحيث يظل الجهد ضمن المدى المقبول أثناء التشغيل العادي.

الشحن السريع مقابل الشحن القياسي: التنازلات في التدهور

بينما تقلل الشحن السريع بسرعة 3C من وقت الشحن بنسبة 65٪، إلا أنه يزيد مقاومة البطارية الداخلية بنسبة 18٪ أسرع مقارنة بالشحن القياسي بسرعة 1C، وذلك بسبب تدرجات تركيز الأيونات التي تسبب إجهادًا في الإلكترود. لتحقيق توازن بين السرعة والعمر الافتراضي، تستخدم الشركات المصنعة الآن خوارزميات شحن تكيفية تضبط معدلات الشحن بناءً على درجة الحرارة وحالة الشحن.

الكفاءة الدورية وأثرها على عمر الدورة

تساهم الكفاءة الدورية (RTE) الأعلى في إطالة عمر الدورة. تفقد البطاريات التي تبلغ كفاءتها الدورية 95٪ حوالي 12٪ أقل من سعتها لكل 1000 دورة مقارنة بتلك التي تبلغ كفاءتها 85٪، حيث أن الكفاءة المنخفضة تولّد حرارة أكبر. وقد مكّنت التطورات في مواد الإلكترود والمحاليل الكهربائية البطاريات الرائدة من فئة فوسفات الحديد الليثيومي (LFP) من تحقيق كفاءة دورية تبلغ 97٪ وفقًا لمعايير الأداء لعام 2024.

أفضل الممارسات لزيادة عمر دورة البطاريات الليثيومية

قاعدة الشحن من 20٪ إلى 80٪ لتقليل التدهور

يقلل الحفاظ على الشحن بين 20% و80% من إجهاد الإلكترود بشكل ملحوظ. ووجدت دراسة أجرتها جامعة ميتشيغان لعام 2023 أن هذا الأسلوب يمكن أن يطيل عمر الدورة الكهربائية أربع مرات مقارنة بالدورات الكاملة المتكررة من 0% إلى 100% من خلال تقليل ترسب الليثيوم على الإلكترود والتشقق في الكاثود.

تجنب التفريغ الكامل والشحن الزائد من أجل صحة البطارية على المدى الطويل

يسرع التفريغ أقل من 10% من تحلل الإلكتروليت، بينما يُجهد الشحن أكثر من 95% كيمياء الخلية. تشير البيانات من الشركات المصنعة إلى أن تجنب هذه الدرجات المتطرفة يحافظ على 92% من السعة بعد 500 دورة، مقارنة بـ 78% فقط مع التفريغ والشحن الكامل المتكرر.

استراتيجيات الشحن المثلى للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية

• الهواتف الذكية قم بتفعيل ميزات "الشحن الأمثل" التي توقف الشحن عند 80%
• أجهزة الكمبيوتر المحمولة افصل الشاحن بعد اكتمال الشحن وتجنب البقاء لفترة طويلة عند 100%
• EVs استخدم الشحن المجدول لإكمال الشحن قبل القيادة مباشرة

التخزين المناسب: ظروف باردة وجافة عند شحن يتراوح بين 40% و60%

للاستعمال على المدى الطويل، احفظ البطاريات عند درجة حرارة 15°م (59°ف) وحوالي 50% من الشحن لتقليل التفريغ الذاتي إلى أقل من 3% شهريًا. وفقًا لنتائج NREL لعام 2023، يمكن أن تؤدي درجات الحرارة فوق 25°م (77°ف) إلى زيادة معدل التدهور أربع مرات.

دور أنظمة إدارة البطاريات (BMS) في الحماية والتحسين في الوقت الفعلي

تحمي أنظمة إدارة البطاريات (BMS) من الشحن الزائد، وتساوي بين جهود الخلايا، وتحكم في تيار الشحن تحت درجات الحرارة القصوى. تتكيف تصميمات BMS المتقدمة سلوك الشحن مع أنماط الاستخدام، مما تقلل البلى بنسبة 18–22% مقارنة بالأنظمة الأساسية (وفقاً ل DOE 2023).

مقارنة بين كيميائيات البطاريات: LFP مقابل NMC من حيث المتانة والاستدامة

لماذا يوفر فوسفات الحديد الليثيومي (LFP) عمرًا دوريًا متفوقًا

من حيث القدرة على التحمل، تتفوق بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد (LFP) على بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) لأنها تمتلك بنية بلورية أكثر استقرارًا وتتعرض لتوتر ميكانيكي أقل أثناء الشحن والتفريغ المتكرر. ستظل معظم بطاريات NMC تحتفظ بحوالي 80% من سعتها الأصلية لفترة تتراوح بين 1000 إلى 2000 دورة شحن، في حين أن إصدارات LFP يمكن أن تتجاوز هذا المدى بشكل كبير، وغالبًا ما تصل إلى ما بين 3000 و5000 دورة قبل أن تبدأ خسارة السعة بشكل ملحوظ. ما يجعل بطاريات LFP متينة إلى هذا الحد؟ تكمن الإجابة في الروابط الكيميائية بين الحديد والفوسفات، وهي روابط قوية للغاية ولا تتحلل بسهولة حتى عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة. وقد أظهرت اختبارات حديثة أجريت في عام 2023 كيف تؤدي هذه البطاريات في تطبيقات تخزين الطاقة على نطاق واسع. وبعد اجتياز 2500 دورة شحن وتفريغ كاملة، لا تزال خلايا LFP تحتفظ بـ 92% من سعتها الأولية، وهو ما يزيد بحوالي 20 نقطة مئوية عن ما تم ملاحظته في حزم بطاريات NMC المماثلة خلال الاختبارات نفسها.

مقارنة عمر الدورة: LFP وNMC وأنواع أخرى من بطاريات الليثيوم أيون

المتر	LFP	NMC	LCO (ليثيوم كوبالت)
متوسط الدورات (إلى 80%)	٣,٠٠٠–٥,٠٠٠	١,٠٠٠–٢,٠٠٠	5001000
الاستقرار الحراري	آمن حتى ≤٦٠°م	آمن حتى ≤٤٥°م	آمن حتى ≤٤٠°م
كثافة الطاقة	٩٠–١٢٠ واط.ساعة/كغ	١٥٠–٢٢٠ واط.ساعة/كغ	١٥٠–٢٠٠ واط ساعة/كجم
التكلفة لكل دورة	٠٫٠٣–٠٫٠٥ دولار	٠٫٠٨–٠٫١٢ دولار	٠٫١٥–٠٫٢٠ دولار

يُظهر هذا المُقارنة ميزة خلايا LFP من حيث مدة العمر الافتراضي والسلامة، مما يجعلها مناسبةً للتطبيقات الثابتة، في حين تظل خلايا NMC الأنسب للتطبيقات الحساسة للوزن مثل المركبات الكهربائية.

دراسة حالة: خلايا LFP في الحافلات الكهربائية وتخزين الطاقة على الشبكة

تُنفق المدن التي تعمل شبكات النقل العامة لديها على بطاريات الفوسفات الحديدي الليثيومي (LFP) حوالي 40 بالمئة أقل على عمليات الاستبدال على مدى ثماني سنوات مقارنةً بتلك التي تستخدم أنظمة NMC. فخذ على سبيل المثال مدينة شينتشين، التي تعمل على تشغيل ما يقارب 16 ألف حافلة كهربائية منذ عام 2018. تستمر هذه المركبات في التشغيل معظم الوقت، حيث تحافظ فعليًا على معدل تشغيلي يقارب 97 بالمئة حتى بعد قطع مسافة 200 ألف كيلومتر، مع فقدان 12 بالمئة فقط من سعة البطارية. أما فيما يتعلق بتخزين الكهرباء في الشبكات، فإن تقنية LFP توفر عائدًا على الاستثمار أعلى بنسبة 18 بالمئة على مدى خمس عشرة سنة، لأن هذه البطاريات تتحلل ببطء أكبر بكثير من البدائل الأخرى. هذا هو السبب في أن العديد من المجتمعات التي تفكر في المستقبل تتجه نحو حلول LFP كجزء من خططها طويلة المدى لبناء شبكات الطاقة النظيفة.

الاستخدام المستدام وإدارة مرحلة نهاية عمر البطاريات الليثيومية

التطبيقات الثانية للاستخدام: إعادة استخدام البطاريات الليثيومية المستعملة بكفاءة

لا تزال البطاريات الليثيومية تعمل بشكل جيد حتى عندما تنخفض سعتها إلى حوالي 70-80% من سعتها الأصلية. تجد هذه البطاريات القديمة منازل جديدة لها في أشياء مثل تخزين الطاقة الشمسية، أو العمل كدعم احتياطي خلال فترات انقطاع التيار، أو إدارة الأحمال في المصانع حيث لا تكون متطلبات الأداء صارمة إلى هذا الحد. وبحسب بحث نشرته مجلة Journal of Energy Storage السنة الماضية، يمكن للبطاريات الخاصة بالمركبات الكهربائية والتي تم إزالتها من السيارات أن تدوم فعليًا ما بين سبع إلى عشر سنوات في تقليل قمم استهلاك الكهرباء في مباني المكاتب والمنشآت المماثلة. والأخبار الجيدة هي أن التكنولوجيا الأحدث قد مكّنت من فرز هذه البطاريات المستعملة وإحالة نحو 40% منها إلى التطبيقات المناسبة للاستخدام الثانوي أسرع مما يستطيع البشر القيام به يدويًا. هذه التحسينات تجعل عملية إعادة استخدام البطاريات أكثر كفاءة بكثير وتساعد على تقليل النفايات.

تقليل النفايات من خلال إطالة عمر الدورة واعادة الاستخدام

تقليل عمر البطارية بنسبة 30–50% من خلال الشحن المناسب وإدارة الحرارة يمنع 18 طنًا متريًا من النفايات الإلكترونية لكل 1000 وحدة سنويًا. تقلل تصميمات البطاريات الوحدية التي تسمح باستبدال الخلايا الفردية من الطلب على المواد الخام بنسبة 28% مقارنة باستبدال الحزمة الكاملة، وفقًا لدراسة 2022 حول الأثر البيئي.

اتجاهات الاقتصاد الدائري في نظم بطاريات الليثيوم

يمكن لعملية إعادة التدوير المغلقة أن تستعيد حوالي 95 بالمئة من الكوبالت ونحو 90 بالمئة من الليثيوم من خلال طرق لا تتضمن استخدام المذيبات، وبشكل خاص تقنيات التجديد المباشر للكاثود. إذا نظرنا إلى الأرقام الفعلية، فإن استعادة البطاريات في أمريكا الشمالية وأوروبا قد ارتفعت بشكل ملحوظ خلال السنوات الأخيرة. في عام 2020، كان يتم استعادة ما يقارب 12 بالمئة فقط من البطاريات، لكن بحلول عام 2023 ارتفع هذا الرقم إلى 37 بالمئة، وذلك بشكل كبير لأن أنظمة الجمع الأفضل بدأت تُطبّق تدريجيًا. كما أن الحكومات تتدخل أيضًا من خلال وضع قواعد جديدة تُلزم باستعادة ما لا يقل عن 70 بالمئة من المواد من البطاريات القديمة. هذه التنظيمات تدفع الشركات إلى تطوير طرق مبتكرة لفصل المواد دون حرقها (التحلل الحراري)، مما يساعد على الحفاظ على أنودات الجرافيت القيّمة بحيث يمكن استخدامها مرة أخرى في إنتاج البطاريات المستقبلية.

الأسئلة الشائعة

ما عمر دورة بطارية الليثيوم؟

يُشير عمر الدورة إلى عدد دورات الشحن والتفريغ الكاملة التي يمكن أن تخضع لها بطارية الليثيوم قبل أن تفقد سعتها، وعادة ما يكون ذلك عند حوالي 70-80٪ من سعتها الأولية.

كيف يمكنني إطالة عمر بطارية الليثيوم؟

لإطالة عمر الدورة، احتفظ بنطاق الشحن بين 20٪ و80٪، وتجنّب التفريغ الكامل والشحن الزائد، واحفظ البطاريات في مكان بارد وجاف عند شحن يبلغ حوالي 50٪.

ما الفرق بين بطاريات LFP وNMC؟

تقدم بطاريات LFP عمر دورة وثبات حراري أفضل مع كثافة طاقة أقل، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الثابتة. تمتلك بطاريات NMC كثافة طاقة أعلى، وهي مناسبة للتطبيقات الحساسة للوزن مثل السيارات الكهربائية.

هل يمكن إعادة تدوير بطاريات الليثيوم؟

نعم، يمكن إعادة تدوير بطاريات الليثيوم. يمكن لعملية إعادة التدوير المغلقة استعادة ما يصل إلى 95٪ من الكوبالت وحوالي 90٪ من الليثيوم بطريقة صديقة للبيئة.