درک طول عمر چرخه‌ای باتری لیتیوم و اهمیت آن

تعریف طول عمر چرخه‌ای باتری لیتیوم و چرخه‌های شارژ

اصطلاح طول عمر چرخه‌ای در واقع به این معنی است که یک باتری لیتیوم چند بار می‌تواند کاملاً شارژ و تخلیه شود قبل از اینکه شروع به از دست دادن قدرت کند—معمولاً زمانی که به حدود 70 تا 80 درصد از ظرفیت اولیه خود سقوط کند. فرض کنید یک چرخه کامل به این معنی است که تمام قدرت باتری را مصرف کنید، چه یکباره و چه به صورت تکه‌تکه. پس اگر کسی نیمی از باتری را دو بار مصرف کند، این مجموع یک چرخه کامل محسوب می‌شود. اکثر باتری‌های لیتیوم یونی امروزی عمری بین 500 تا 1500 چرخه دارند با این همه، مدل‌های جدیدی که به طور خاص برای چیزهایی مثل شبکه‌های انرژی طراحی شده‌اند، این عدد را بسیار فراتر از آن می‌برند و بر اساس گزارش‌های صنعتی سال گذشته به بیش از 6000 چرخه نیز می‌رسند. این موضوع اهمیت دارد چون طول عمر چرخه‌ای بیشتر به معنی ارزش بهتر در طول زمان است.

نقش طول عمر چرخه‌ای در سیستم‌های انرژی پایدار

وقتی باتری‌ها عمر بیشتری دارند، یعنی بین تعویض‌ها دفعات کمتری باید دور ریخته شوند و این موضوع به معنای تولید کمتر زباله الکترونیکی و مصرف کمتر از مواد اولیه است. باتری خودروهای برقی را به عنوان مثال در نظر بگیرید. اگر یک باتری بتواند حدود 1200 سیکل شارژ را تحمل کند نه فقط 500 سیکل، صاحبان آن نیازی نخواهند داشت تا چهار تا هفت سال آن را تعویض کنند. این موضوع به معنای صرفه‌جویی در حدود 19 کیلوگرم از مواد اولیه برای هر کیلووات‌ساعت ذخیره‌سازی است. عامل دوام زمانی که صحبت از ذخیره انرژی تجدیدپذیر است بسیار مهم می‌شود. پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی برق را به صورت متناوب تولید می‌کنند، بنابراین داشتن سیستم‌های ذخیره‌سازی که سال‌ها به طور مداوم کار کنند، تفاوت بزرگی در تأمین پایداری برق در دهه‌های کارکرد ایجاد می‌کند.

عمر متوسط باتری‌های لیتیومیونی تحت شرایط عادی

در شرایط معمول، باتری‌های لیتیومی 80٪ ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند برای:

• تلفن‌های هوشمند/لپ‌تاپ‌ها : 300–500 سیکل (1–3 سال)
• باتری EV : 1000–1500 سیکل (8–12 سال)
• ذخیره سازی خورشیدی : ۳,۰۰۰–۶,۰۰۰ سیکل (۱۵–۲۵ سال)

کار در محدوده شارژ ۲۰٪–۸۰٪ می‌تواند عمر سیکل را تا ۴۰٪ نسبت به سیکل کامل ۰٪–۱۰۰٪ افزایش دهد.

عوامل کلیدی موثر بر تخریب باتری لیتیوم-یونی

تأثیر گرما و دما بر سلامت باتری

وقتی دما بیش از حد بالا می‌رود، واکنش‌های شیمیایی درون باتری‌های لیتیومی را تسریع می‌کند که در نهایت باعث خرابی آنها می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که چیزی نگران‌کننده در این مرحله اتفاق می‌افتد: برای هر ۱۵ درجه افزایش دما پس از دمای اتاق (حدود ۲۵ درجه سانتی‌گراد)، فرسودگی باتری تقریباً دو برابر می‌شود. چرا؟ چون لایه ی الکترولیت جامد ضخیم‌تر می‌شود و فرآیند پوشش دهی لیتیوم بیشتر می‌گردد. و اگر این باتری‌ها مدت طولانی در معرض دمای بالا باشند، مثلاً حدود ۴۵ درجه سانتی‌گراد، عمر مفید آنها به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. ما صحبت می‌کنیم درباره ی تقریباً ۴۰ درصد کمتر شدن چرخه‌های کاری قبل از خرابی نسبت به شرایط عادی کاری در دمای ۲۰ درجه. این یافته‌ها از آزمون‌های اخیر تنش حرارتی در سال ۲۰۲۴ نشات گرفته‌اند که نشان می‌دهند چقدر این منابع انرژی به گرما حساس هستند.

اثرات شارژ بیش از حد و تخلیه عمیق بر طول عمر باتری‌های لیتیومی

خرابی باتری‌ها به‌طور کامل باعث می‌شود که ولتاژ از حد مجاز فراتر رود. وقتی سلول‌ها از ۴٫۲ ولت بیشتر شارژ شوند، شروع به رسوب فلز لیتیوم بر روی سطوح خود می‌کنند. و اگر تخلیه شوند تا زیر ۲٫۵ ولت در هر سلول، قطعات مسی درونی در واقع شروع به حل شدن می‌کنند. نتایج آزمایشگاهی چیزهایی را نشان می‌دهند که قابل توجه است. باتری‌هایی که تا ۱۰۰٪ عمق تخلیه (DoD) کار کنند، فقط حدود ۳۰۰ سیکل کمتر از آن‌هایی که در ۵۰٪ متوقف می‌شوند، دوام می‌آورند. این تفاوت در کاربردهای واقعی بسیار برجسته است. اکنون بیشتر دستگاهای مدرن با سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) تجهیز شده‌اند که به عنوان سدی در برابر این محدوده‌های خطرناک عمل می‌کنند. این واحد‌های BMS حاشیه‌های ایمنی ایجاد می‌کنند تا ولتاژها در حین عملکرد عادی در محدوده‌های قابل قبول باقی بمانند.

شارژ سریع در مقابل شارژ استاندارد: معاوضه‌های موجود در فرسایش

در حالی که شارژ سریع با نرخ 3C زمان شارژ را 65% کاهش می‌دهد، مقاومت داخلی را 18% سریع‌تر از شارژ استاندارد با نرخ 1C افزایش می‌دهد، زیرا گرادیان‌های غلظت یونی باعث ایجاد تنش در الکترودها می‌شوند. برای دستیابی به تعادل بین سرعت و دوام، تولیدکنندگان اکنون از الگوریتم‌های شارژ تطبیقی استفاده می‌کنند که نرخ شارژ را بر اساس دما و میزان شارژ موجود تنظیم می‌کنند.

بازدهی دوره‌ای و تأثیر آن بر طول عمر سیکلی

بازدهی بالاتر دوره‌ای (RTE) به طول عمر سیکلی بیشتری کمک می‌کند. باتری‌هایی که دارای RTE 95% هستند، در هر 1000 سیکل 12% ظرفیت کمتری نسبت به باتری‌هایی با RTE 85% از دست می‌دهند، زیرا بازدهی پایین‌تر باعث تولید گرمای بیشتری می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در مواد الکترودی و الکترولیت‌ها این امکان را فراهم کرده‌اند که باتری‌های لیتیوم فریک فسفات (LFP) مطرح، در آزمون‌های عملکردی سال 2024 به بازدهی 97% دست یابند.

بهترین روش‌ها برای افزایش طول عمر سیکلی باتری‌های لیتیومی

قانون شارژ 20٪ تا 80٪ برای کمینه کردن فرسودگی

نگه داشتن شارژ بین 20٪ تا 80٪ به طور قابل توجهی استرس الکترود را کاهش می‌دهد. یک مطالعه انجام شده در دانشگاه میشیگان در سال 2023 نشان داد که این روش می‌تواند عمر سیکل را تا چهار برابر در مقایسه با سیکل‌های مکرر 0٪–100٪ افزایش دهد، زیرا از شکل‌گیری لیتیوم و ترک در کاتد جلوگیری می‌کند.

اجتناب از تخلیه کامل و شارژ اضافی برای سلامتی بلندمدت

تخلیه کامل زیر 10٪ باعث تسریع تجزیه الکترولیت می‌شود، در حالی که شارژ فراتر از 95٪ فشار شیمیایی سلول را افزایش می‌دهد. داده‌های تولیدکنندگان نشان می‌دهند که اجتناب از این موارد، پس از 500 سیکل، 92٪ ظرفیت را حفظ می‌کند، در حالی که در صورت استفاده مکرر از سیکل کامل، این مقدار تنها 78٪ است.

استراتژی‌های بهینه شارژ برای گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی

• تلفن‌های هوشمند : ویژگی «شارژ بهینه‌سازی شده» را فعال کنید که شارژ را در 80٪ متوقف می‌کند
• لپ‌تاپ‌ها : پس از شارژ کامل، آن را از برق بکشید و از نگه داشتن طولانی‌مدت در حالت 100٪ جلوگیری کنید
• خودروهای برقی : از شارژ برنامه‌ریزی شده برای تکمیل شارژ دقیقاً قبل از رانندگی استفاده کنید

نگهداری مناسب: شرایط خنک و خشک با شارژ 40-60٪

برای نگهداری بلندمدت، باتری‌ها را در دمای 15 درجه سانتی‌گراد (59 درجه فارنهایت) و با شارژ حدود 50 درصد نگه دارید تا خودپریشی آن‌ها به کمتر از 3 درصد در ماه محدود شود. بر اساس یافته‌های NREL در سال 2023، دماهای بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد (77 درجه فارنهایت) می‌تواند میزان فرسودگی را چهار برابر کند.

نقش سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) در حفاظت و بهینه‌سازی در زمان واقعی

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کنند، ولتاژ سلول‌ها را متعادل می‌کنند و جریان شارژ را در دماهای بسیار بالا یا پایین تنظیم می‌کنند. طراحی‌های پیشرفته BMS رفتار شارژ را با الگوهای استفاده تطبیق می‌دهند و میزان فرسودگی را 18 تا 22 درصد نسبت به سیستم‌های پایه‌ای کاهش می‌دهند (DOE 2023).

مقایسه شیمی باتری‌ها: LFP در مقابل NMC از نظر دوام و پایداری

چرا فسفات لیتیوم آهنی (LFP) دارای عمر بیشتری در چرخه‌های شارژ است

در مورد توانایی دوام، باتری‌های لیتیوم فلز فسفات (LFP) بهتر از باتری‌های نیکل منگنز کبالت (NMC) هستند، زیرا ساختار کریستالی پایدارتری دارند و در هنگام شارژ و دشارژ مکرر، تنش مکانیکی کمتری را تجربه می‌کنند. اکثر باتری‌های NMC حدود 80% از ظرفیت اولیه خود را در طی 1000 تا 2000 سیکل شارژ حفظ می‌کنند، در حالی که نسخه‌های LFP می‌توانند به راحتی این محدوده را پشت سر بگذارند و اغلب به 3000 تا 5000 سیکل می‌رسند، قبل از اینکه افت ظرفیت قابل توجهی رخ دهد. چه چیزی باعث دوام بالای LFP می‌شود؟ پیوندهای شیمیایی آهن-فسفات چیزهای بسیار مقاومی هستند که حتی در معرض دمای بالا هم به راحتی تجزیه نمی‌شوند. آزمایش‌های اخیر در سال 2023 به بررسی عملکرد این باتری‌ها در کاربردهای بزرگ ذخیره انرژی پرداختند. پس از گذراندن 2500 سیکل کامل شارژ-دشارژ، سلول‌های LFP هنوز 92% از ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده بودند، که تقریباً 20 درصد بهتر از آنچه در باتری‌های مشابه NMC در همان آزمایش‌ها مشاهده شده بود، می‌باشد.

مقایسه عمر سیکلی: LFP، NMC و دیگر انواع لیتیوم-یونی

METRIC	LFP	NMC	LCO (لیتیوم کبالت)
میانگین سیکل‌ها (تا 80%)	3,000–5,000	1,000–2,000	500–1,000
پایداری حرارتی	≤60°C ایمن	≤45°C ایمن	≤40°C ایمن
چگالی انرژی	90–120 Wh/kg	150–220 Wh/kg	150–200 وات‌ساعت/کیلوگرم
هزینه هر سیکل	$0.03–$0.05	$0.08–$0.12	$0.15–$0.20

این مقایسه مزیت باتری LFP را از نظر عمر و ایمنی برجسته کرده و آن را برای کاربردهای ثابت ایده‌آل می‌کند، در حالی که باتری NMC همچنان برای کاربردهای حساس به وزن مانند خودروهای برقی (EV) مناسب‌تر است.

مطالعه موردی: باتری‌های LFP در اتوبوس‌های برقی و ذخیره‌سازی شبکه

شهرهایی که ناوگان حمل و نقل عمومی خود را با استفاده از باتری‌های LFP به راه‌اندازی می‌کنند، در مقایسه با سیستم‌های NMC، در طول هشت سال، حدود 40 درصد کمتر در مورد تعویض هزینه می‌کنند. به عنوان مثال شهر شنژن را در نظر بگیرید که از سال 2018 حدود 16 هزار اتوبوس برقی را در حال بهره‌برداری داشته است. این وسایل نقلیه بیشتر اوقات در حال کارکردن هستند و در واقع حتی پس از طی مسافت 200 هزار کیلومتر، زمان بهره‌برداری خود را در حدود 97 درصد حفظ می‌کنند و تنها 12 درصد از ظرفیت باتری خود را از دست می‌دهند. در مورد ذخیره‌سازی برق در شبکه‌ها، فناوری LFP در طول پانزده سال، بازگشت سرمایه‌ای حدوداً 18 درصدی بیشتری فراهم می‌کند، چرا که این باتری‌ها بسیار کندتر از سایر گزینه‌ها فرسوده می‌شوند. به همین دلیل، بسیاری از جوامع پیشرو در حال حاضر به سمت راهکارهای LFP روی آورده‌اند و آن را به عنوان بخشی از برنامه‌های بلندمدت خود برای توسعه شبکه‌های انرژی سبز در نظر گرفته‌اند.

استفاده پایدار و مدیریت پایان عمر باتری‌های لیتیومی

کاربردهای دوم‌ مرحله‌ای: استفاده مجدد از باتری‌های لیتیومی استفاده شده به شیوه‌ای کارا

باتری‌های لیتیومی حتی زمانی که ظرفیت آن‌ها به حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد از میزان اولیه کاهش پیدا کند، همچنان به خوبی کار می‌کنند. این باتری‌های قدیمی‌تر کاربردهای دیگری مانند ذخیره انرژی خورشیدی، تأمین برق پشتیبان در زمان قطعی برق، یا مدیریت بار در کارخانه‌ها را که نیاز به عملکرد بالایی ندارند، پیدا می‌کنند. بر اساس تحقیقی که سال گذشته در نشریه Journal of Energy Storage منتشر شد، باتری‌های خودروهای برقی که از ماشین‌ها خارج شده‌اند می‌توانند در کاهش نوسانات برق در ساختمان‌های اداری و مراکز مشابه تا هفت تا ده سال دیگر کمک کنند. خبر خوب این است که فناوری‌های جدید امکان دسته‌بندی این باتری‌های استفاده شده و تخصیص آن‌ها به کاربردهای مناسب دوم‌زادگی را فراهم کرده‌اند که این کار چهل درصد سریع‌تر از روش‌های دستی انجام می‌شود. این پیشرفت باعث بهتر شدن فرآیند دوباره استفاده از باتری‌ها و کاهش پسماند می‌شود.

کاهش پسماند از طریق افزایش طول عمر چرخه‌ای و دوباره استفاده

افزایش عمر باتری به میزان 30 تا 50 درصد از طریق شارژ مناسب و مدیریت حرارتی، سالانه از تولید 18 تن ضایعات الکترونیکی در هر 1000 دستگاه جلوگیری می‌کند. طراحی‌های ماژولار باتری که امکان تعویض سلول‌های جداگانه را فراهم کنند، تقاضای مواد خام را نسبت به تعویض کامل بسته باتری‌ها 28 درصد کاهش می‌دهند، مطابق با یک مطالعه از سال 2022 در مورد تأثیرات زیست‌محیطی.

روند اقتصاد دایره‌وار در اکوسیستم باتری‌های لیتیومی

فرآیند بازیافت حلقه بسته می‌تواند حدود 95 درصد کبالت و تقریباً 90 درصد لیتیوم را از طریق روش‌هایی که شامل حلال‌ها نیستند، به ویژه تکنیک‌های مستقیم بازسازی کاتد، بازیابی کند. با نگاهی به اعداد واقعی، بازیابی باتری در آمریکای شمالی و اروپا طی سال‌های اخیر افزایش قابل توجهی داشته است. در سال 2020 فقط حدود 12 درصد از باتری‌ها بازیابی می‌شدند، اما تا سال 2023 این رقم به 37 درصد افزایش یافته است، که عمدتاً به دلیل این است که سیستم‌های بهتر جمع‌آوری به تدریج در حال گسترش شده‌اند. دولت‌ها نیز دخالت کرده‌اند و قوانین جدیدی وضع کرده‌اند که حداقل 70 درصد بازیابی مواد از باتری‌های قدیمی را الزامی دانسته‌اند. این مقررات شرکت‌ها را مجبور به توسعه روش‌های نوآورانه برای جداسازی مواد بدون سوزاندن آن‌ها (پایرولیز) کرده است، که این امر به حفظ آنودهای گرافیتی ارزشمند کمک می‌کند تا بتوانند دوباره در تولید باتری‌های آینده استفاده شوند.

‫سوالات متداول‬

چرخه عمر یک باتری لیتیومی چقدر است؟

طول عمر چرخه‌ای به تعداد چرخه‌های کامل شارژ و دشارژی اشاره دارد که یک باتری لیتیومی می‌تواند قبل از از دست دادن ظرفیت خود، معمولاً در حدود 70-80% از ظرفیت اولیه، تحمل کند.

چگونه می‌توانم طول عمر چرخه‌ای باتری لیتیومی خود را افزایش دهم؟

برای افزایش طول عمر چرخه‌ای، محدوده شارژ را بین 20% تا 80% حفظ کنید، از دشارژ کامل و شارژ بیش از حد خودداری کنید و باتری‌ها را در شرایط خنک و خشک و با شارژ حدودی 50% نگهداری کنید.

تفاوت باتری‌های LFP و NMC چیست؟

باتری‌های LFP طول عمر چرخه‌ای و پایداری حرارتی بهتری دارند اما چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به NMC دارند و این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهای ثابت مناسب می‌کند. باتری‌های NMC چگالی انرژی بالاتری دارند و برای کاربردهای حساس به وزن مانند خودروهای برقی مناسب هستند.

آیا می‌توان باتری‌های لیتیومی را بازیافت کرد؟

بله، باتری‌های لیتیومی قابل بازیافت هستند. فرآیند بازیافت حلقه بسته می‌تواند تا 95% کبالت و تقریباً 90% لیتیوم را به شیوه‌ای سازگار با محیط زیست بازیابی کند.