دامنه وضعیت شارژ (SoC) را بهینه کنید تا تنش الکتروشیمیایی به حداقل برسد

نگهداری سالم باتری‌های لیتیومی در طول زمان به معنای مدیریت صحیح شارژ کردن آن‌هاست. هنگامی که محدوده شارژ را حدوداً بین ۲۰٪ تا ۸۰٪ نگه داریم، به جای اینکه اجازه دهیم باتری کاملاً از حالت خالی به پر برسد، الکترودهای داخلی طبق تحقیقات انجمن الکتروشیمیایی در سال ۲۰۲۳ حدود ۵۸٪ استرس کمتری تجربه می‌کنند. این استراتژی میانی به جلوگیری از مشکلاتی مانند رسوب لیتیوم روی آند و ترک‌های ایجاد شده در ماده کاتد کمک می‌کند که دلایل اصلی کاهش عملکرد باتری در طول زمان هستند. به عنوان مثال واقعی، گوشی‌های هوشمند را در نظر بگیرید. دستگاه‌هایی که شارژ خود را در ۸۰٪ متوقف می‌کنند، حتی پس از ۵۰۰ چرخه کامل شارژ، همچنان حدود ۹۲٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند. در مقایسه با گوشی‌هایی که هر بار کاملاً شارژ می‌شوند و پس از همان تعداد چرخه تنها حدود ۷۸٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند.

چرا محدوده ۲۰٪ تا ۸۰٪ SoC باعث کاهش فرسودگی و بیشینه‌سازی عمر چرخه باتری لیتیومی می‌شود

وضعیت‌های شارژ پایین یا بالا در طولانی‌مدت سایش شیمیایی را تسریع می‌کنند:

• بالای 90 درصد SoC : اکسیداسیون الکترولیت باعث کاهش ظرفیت به میزان حدود 1.2 درصد در ماه می‌شود
• زیر 15 درصد SoC : حل شدن آند منجر به تخریب حدود 0.8 درصد در ماه می‌شود

مطالعه دانشگاه میشیگان (2023) تأیید کرد که این استراتژی شارژ جزئی، عمر سیکل را در مقایسه با تخلیه‌های عمیق چهار برابر می‌کند.

تأثیر عمق تخلیه (DoD): از 300 سیکل در 100 درصد DoD به بیش از 1,200 سیکل در 30 درصد DoD

تخلیه‌های سطحی به طور چشمگیری عمر مفید قابل استفاده را افزایش می‌دهند:

محدود کردن عمق تخلیه به 30 درصد، خستگی ساختاری را کاهش می‌دهد و امکان بیش از 1,200 سیکل را فراهم می‌کند، ضمن حفظ 90 درصد یا بیشتر ظرفیت – که برای کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی (EV) و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حیاتی است.

کنترل دمای مواجهه برای جلوگیری از پیری شتاب‌دهی حرارتی

تخریب حرارتی: هر 10 درجه سانتی‌گراد بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد چرخه عمر باتری لیتیومی را تقریباً 50٪ کاهش می‌دهد

وقتی دما بیش از حد بالا برود، واکنش‌های شیمیایی درون باتری‌های لیتیومی را به‌راه می‌اندازد که به مرور زمان باعث آسیب دائمی می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که اگر دما تنها ۱۰ درجه سانتی‌گراد از حد استاندارد ۲۵°C بیشتر شود، باتری تقریباً با نصف سرعت عادی پیر می‌شود که این به معنای تعداد چرخه‌های شارژ کمتر در طول عمر آن است. برای مثال، یک باتری که برای ۱۰۰۰ چرخه طراحی شده است—اگر به‌طور مداوم در دمای حدود ۳۵°C کار کند—ممکن است قبل از از دست دادن قابل توجه ظرفیت، به‌ز труд به ۵۰۰ چرخه برسد. دلیل این امر چیست؟ گرما باعث تجزیه محلول الکترولیت، ضخیم‌تر شدن غیرعادی لایه محافظ SEI و خروج فلزات کاتد به داخل سیستم می‌شود. حتی زمانی که باتری‌ها به‌صورت فعال استفاده نمی‌شوند، نگهداری آن‌ها در دمای بالا باز هم به‌شدت نرخ فساد را افزایش می‌دهد. حفظ دمای عملیاتی زیر ۳۰°C از طریق مدیریت مناسب حرارتی، برای بهره‌برداری حداکثری از باتری‌های لیتیومی در کاربردهای واقعی جدی که عملکرد در آن‌ها مهم است، کاملاً ضروری باقی می‌ماند.

ریسک‌های شارژ سرد: پلاکینگ لیتیوم و از دست رفتن ظرفیت دائمی در دمای پایین‌تر از ۰°C

وقتی باتری‌های لیتیومی در شرایط یخبندان شارژ می‌شوند، اتفاق بدی برای یون‌های لیتیوم رخ می‌دهد. به جای اینکه وارد ماده آند بشوند که جای مناسب آنهاست، شروع به تشکیل بلورهای فلزی روی سطح می‌کنند. ما به این مشکل کلی «پوشش‌دهی لیتیومی» (lithium plating) می‌گوییم. چیزی که وضع را بدتر می‌کند این است که پس از شروع این فرآیند، آسیب عملاً دائمی می‌شود. هر بار که این اتفاق بیفتد، ظرفیت باتری حدود ۵ تا ۲۰ درصد کاهش می‌یابد و این تشکیلات بلوری مانند شاخه‌های کوچکی درون باتری رشد می‌کنند که می‌توانند باعث اتصال کوتاه‌های خطرناک شوند. چیزها زیر دمای صفر درجه سلسیوس واقعاً پیچیده می‌شوند، چون یون‌ها دیگر حرکت چندانی نمی‌کنند. مقاومت درونی باتری به شدت افزایش می‌یابد، گاهی تا سه برابر حالت عادی، و این امر باعث بروز نوسان‌های ولتاژ آزاردهنده هنگام شارژ می‌شود. تحقیقات نشان داده‌اند که اگر یک باتری تنها ده چرخه شارژ در دمای منفی ده درجه سلسیوس را تجربه کند، به همان اندازه فرسودگی یکصد چرخه شارژ در دمای اتاق دچار می‌شود. برای جلوگیری از تمام این مشکلات، بیشتر متخصصان توصیه می‌کنند که قبل از شروع فرآیند شارژ، باتری‌ها را حداقل تا پنج درجه سلسیوس گرم کنید. این اقدام ساده حتی در شرایط سخت زمستانی که بسیاری از افراد با آن مواجه هستند، به حفظ عمر باتری کمک می‌کند.

از سیستم‌های مدیریت باتری هوشمند برای محافظت پیش‌گیرانه استفاده کنید

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) مانند مغز پشت باتری‌های لیتیوم عمل می‌کنند و به طور مداوم چیزهایی مانند سطح ولتاژ، جریان، تغییرات دما و مقدار شارژ باقی‌مانده را پیگیری می‌کنند. این سیستم‌ها تلاش زیادی می‌کنند تا از فرسودگی زودهنگام باتری جلوگیری کنند. هنگامی که ولتاژ یا گرمای بیش از حدی ایجاد می‌شود، به صورت خودکار سرعت شارژ را کاهش می‌دهند یا کاملاً برق را قطع می‌کنند تا از آسیب جلوگیری شود. BMS مناسب همچنین مانع از تخلیه کامل باتری می‌شود، زیرا این امر می‌تواند عمر باتری را به شدت کاهش دهد — گاهی تا حدود سه چهارم کوتاه‌تر از حالتی که فقط تا حد معینی تخلیه شود. کنترل دما نیز یک ویژگی کلیدی دیگر است، زیرا حتی افزایش کوچکی در دما به میزان ۱۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای اتاق می‌تواند عمر باتری را تقریباً نصف کند. برخی از مدل‌های جدیدتر به نرم‌افزار هوشمندی مجهز هستند که مشکلات بین سلول‌ها را قبل از تبدیل شدن به مشکلات بزرگ شناسایی می‌کند و سپس انرژی را جابجا می‌کند تا تعادل ایجاد شود و از اینکه برخی نواحی سریع‌تر از دیگران فرسوده شوند جلوگیری کند. تمام این محافظت‌ها با هم باعث افزایش عمر باتری‌های لیتیومی و کاهش چشمگیر خرابی‌های خطرناکی مانند گرمایش خودبه‌خودی (thermal runaway) می‌شوند که گاهی در گزارش‌های خبری شنیده می‌شود.

رعایت روش‌های صحیح نگهداری و ذخیره‌سازی برای پایداری بلندمدت

ذخیره‌سازی ایده‌آل در شرایط خنک و خشک با سطح شارژ ۴۰ تا ۶۰ درصد: کاهش فرآیند پیری باتری تا ۷۰ درصد

باتری‌های لیتیومی زمانی بسیار طولانی‌تر دوام می‌آورند که به درستی نگهداری شوند، زیرا این کار از چیزی که پیری تقویمی نامیده می‌شود جلوگیری می‌کند؛ پدیده‌ای که در آن باتری تنها با گذشت زمان و بدون استفاده، ظرفیت خود را از دست می‌دهد. نگه داشتن باتری در محدوده شارژ حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد، فشار کمتری بر اجزای داخلی وارد می‌کند و ذخیره‌سازی آن در محیطی خنک، ترجیحاً بین ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد، واکنش‌های شیمیایی که در نهایت باعث تخریب اجزای داخلی می‌شوند را کند می‌کند. همچنین رطوبت هوا نباید زیاد باشد؛ رطوبتی کمتر از ۵۰ درصد مناسب‌تر است، زیرا رطوبت می‌تواند مشکلاتی مانند خوردگی یا حتی نشت مایع از خود باتری ایجاد کند. رعایت این دستورالعمل‌ها تفاوت قابل توجهی ایجاد می‌کند و میزان کاهش سالانه ظرفیت را تا ۷۰ درصد نسبت به حالتی که باتری‌ها در شرایط گرم‌تر (حدود ۳۵ درجه سانتی‌گراد) و با شارژ کامل نگهداری می‌شوند، کاهش می‌دهد. هر کسی که قصد نگهداری بلندمدت باتری را داشته باشد، باید گاهی ولتاژ آن را بررسی کند تا مطمئن شود همچنان در محدوده مناسب باقی مانده است. این اقدام ساده از آسیب دیدن باتری به دلیل تخلیه کامل طی ماه‌ها یا سال‌های عدم استفاده جلوگیری می‌کند.

از شرایط جریان بالا و شارژ اضافی که باعث تسریع تخریب می‌شوند، اجتناب کنید

مزایا و معایب شارژ سریع: کاهش ۲۰ تا ۳۰ درصدی طول عمر چرخه باتری لیتیومی در شارژ ۲C نسبت به شارژ استاندارد ۰٫۵C

هنگامی که در مورد چرخه‌های شارژ و دشارژ سریع صحبت می‌کنیم، از نظر الکتروشیمیایی سلول‌های لیتیوم-یون واقعاً تحت فشار قرار می‌گیرند. شارژ با نرخ 2C به معنای رسیدن به شارژ کامل باتری در تنها نیم ساعت است، اما این امر هزینه‌ای به همراه دارد. مطالعات نشان می‌دهند که باتری‌هایی که در این شرایط قرار می‌گیرند، معمولاً تنها حدود 70 تا 80 درصد عمر باتری‌هایی که با نرخ استاندارد 0.5C شارژ می‌شوند را دارند. دلیل این تخریب در آنچه در حین این فرآیندهای سریع درون سلول اتفاق می‌افتد نهفته است. یون‌های متحرک سریع باعث تجزیه سریع‌تر الکترولیت نسبت به حالت عادی می‌شوند و همچنین تشکیل لایه SEI روی الکترودها را تسریع می‌کنند که در نهایت منجر به کاهش ظرفیت کلی در طول زمان می‌شود. همچنین نباید از شارژ اضافی نیز غافل شد. این روش منجر به انواع واکنش‌های شیمیایی مضر درون باتری می‌شود که می‌تواند اجزای داخلی آن را به شدت آسیب دهد و عمر مفید آن را به طور قابل توجهی کوتاه کند.

• خطر گرمایش غیرکنترل‌شده : ولتاژ اضافی باعث تجمع حرارت (>60°C) شده و تخریب کاتد را تسریع می‌کند
• پوشش لیتیوم : رسوبات فلزی لیتیوم در دمای پایین‌تر از 0°C در طول شارژ روی آند تشکیل می‌شوند و باعث کاهش غیرقابل بازگشت ظرفیت می‌شوند
• آسیب ساختاری : شارژ بیش از حد، آند گرافیتی را فراتر از حد طراحی منبسط می‌کند و باعث ترک خوردن مواد الکترود می‌شود

پروتکل‌های بهینه شارژ، سرعت و طول عمر را متعادل می‌کنند. برای حداکثر طول عمر چرخه باتری لیتیومی، در صورت امکان شارژ را تا ‹1C محدود کنید و از شارژرهای هوشمند استفاده کنید که در ولتاژ 100% متوقف می‌شوند. کاربردهای پر مصرف (مانند ابزارهای برقی) از سیستم‌های مدیریت حرارتی برای مقابله با تخریب در چرخه‌های سریع بهره می‌برند.

سوالات متداول (FAQ)

محدوده بهینه شارژ (SoC) برای باتری‌های لیتیومی چیست؟

محدوده بهینه SoC برای باتری‌های لیتیومی بین 20٪ و 80٪ است، زیرا این محدوده تنش الکتروشیمیایی را به حداقل می‌رساند و طول عمر باتری را افزایش می‌دهد.

دمای محیط چگونه بر طول عمر چرخه باتری لیتیومی تأثیر می‌گذارد؟

افزایش ۱۰ درجه سانتیگراد نسبت به دمای استاندارد کاری ۲۵ درجه سانتیگراد می‌تواند عمر چرخه باتری لیتیومی را حدود ۵۰٪ کاهش دهد، در حالی که کارکرد در شرایط یخبندان می‌تواند منجر به پلاستره شدن لیتیوم و از دست‌دادن ظرفیت دائمی شود.

پلاستره شدن لیتیوم چیست؟

پلاستره شدن لیتیوم زمانی رخ می‌دهد که یون‌های لیتیوم در حین شارژ در دمای یخبندان، بلورهای فلزی را روی سطح آند باتری تشکیل دهند و منجر به از دست‌دادن غیرقابل بازیابی ظرفیت شوند.

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) چگونه از باتری‌های لیتیومی محافظت می‌کنند؟

BMS با نظارت بر ولتاژ، جریان، دما و سطح شارژ و تنظیم خودکار سرعت شارژ یا قطع برق برای جلوگیری از آسیب، از باتری‌های لیتیومی محافظت می‌کنند.