इलेक्ट्रोकेमिकल तनाव को कम करने के लिए चार्ज की स्थिति सीमा को अनुकूलित करें

लिथियम बैटरियों को समय के साथ स्वस्थ रखने का अर्थ है कि हम उन्हें कैसे चार्ज करते हैं, उसका उचित प्रबंधन करना। जब हम लगभग 20% से 80% के बीच चार्ज करने पर टिके रहते हैं, बजाय उन्हें खाली से भरा तक पूरी तरह जाने के, तो 2023 में इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी द्वारा किए गए शोध के अनुसार आंतरिक इलेक्ट्रोड्स पर लगभग 58% कम तनाव पड़ता है। इस तथाकथित मध्यम मार्ग रणनीति से ऐनोड पर लिथियम प्लेटिंग और कैथोड सामग्री में दरारें जैसी समस्याओं को रोकने में मदद मिलती है, जो बैटरियों के समय के साथ घिसावट के प्रमुख कारण हैं। स्मार्टफोन को वास्तविक उदाहरण के रूप में लें। 500 पूर्ण चार्ज चक्रों के बाद भी 80% तक पहुंचने पर चार्जिंग को रोक देने वाले उपकरण अपनी मूल क्षमता का लगभग 92% बरकरार रखते हैं। उसकी तुलना उन फोन से करें जिन्हें हर बार पूरा चार्ज किया जाता है, जो समान चक्रों के बाद केवल अपनी प्रारंभिक क्षमता का लगभग 78% ही बनाए रखते हैं।

SoC की 20%–80% सीमा क्यों घिसावट को कम करती है और लिथियम बैटरी के चक्र जीवन को अधिकतम करती है

उच्च या निम्न चार्ज स्थितियों का लंबे समय तक रहना रासायनिक घिसावट को तेज करता है:

• 90% से अधिक SoC : इलेक्ट्रोलाइट ऑक्सीकरण के कारण ~1.2% मासिक क्षमता हानि होती है
• 15% से कम SoC : एनोड विघटन के कारण ~0.8% मासिक क्षय होता है

मिशिगन विश्वविद्यालय के एक अध्ययन (2023) ने पुष्टि की है कि गहरे निर्वहन की तुलना में आंशिक-चार्ज रणनीति चक्र जीवन को चार गुना बढ़ा देती है।

निर्वहन की गहराई (DoD) का प्रभाव: 100% DoD पर 300 चक्र से >1,200 तक 30% DoD पर

थोड़ी गहराई के निर्वहन से उपयोगी आयु बहुत अधिक बढ़ जाती है:

निर्वहन गहराई को 30% तक सीमित करने से संरचनात्मक थकान कम होती है, जिससे 90%+ क्षमता बनाए रखते हुए 1,200 से अधिक चक्र संभव होते हैं–EVs और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों जैसे अनुप्रयोगों के लिए यह महत्वपूर्ण है।

थर्मल त्वरित बुढ़ापे को रोकने के लिए तापमान के प्रति संवेदनशीलता को नियंत्रित करें

ऊष्मा क्षरण: 25°C से प्रत्येक +10°C ऊपर जाने पर लिथियम बैटरी चक्र जीवन लगभग 50% तक कम हो जाता है

जब तापमान बहुत अधिक बढ़ जाता है, तो लिथियम बैटरियों के अंदर रासायनिक प्रतिक्रियाएँ शुरू हो जाती हैं जो समय के साथ स्थायी क्षति का कारण बनती हैं। अध्ययनों से पता चलता है कि यदि तापमान मानक 25°C के स्तर से केवल 10 डिग्री सेल्सियस अधिक हो जाता है, तो बैटरी सामान्य की तुलना में लगभग आधी तेजी से उम्र बढ़ती है, जिसका अर्थ है कुल मिलाकर कम चार्ज चक्र। उदाहरण के लिए, 1,000 चक्रों के लिए डिज़ाइन की गई एक बैटरी लें—यदि वह नियमित रूप से लगभग 35°C पर संचालित होती है, तो वह महत्वपूर्ण क्षमता खोने से पहले केवल 500 चक्रों तक ही पहुँच पाएगी। इसका कारण क्या है? ऊष्मा इलेक्ट्रोलाइट घोल को तोड़ देती है, सुरक्षात्मक SEI परत को सामान्य से अधिक मोटा बना देती है, और कैथोड में धातुओं को प्रणाली में रिसने के लिए प्रेरित करती है। यहां तक कि जब बैटरियों का सक्रिय रूप से उपयोग नहीं किया जा रहा होता, तब भी उन्हें बहुत गर्म रखना उनके क्षरण दर को नाटकीय ढंग से तेज कर देता है। उचित तापीय प्रबंधन के माध्यम से 30°C से नीचे संचालन बनाए रखना उन गंभीर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में लिथियम बैटरियों से अधिकतम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए पूरी तरह से आवश्यक बना हुआ है जहां प्रदर्शन सबसे अधिक मायने रखता है।

ठंडे में चार्जिंग के जोखिम: 0°C से नीचे लिथियम प्लेटिंग और स्थायी धारिता हानि

जब लिथियम बैटरियों को जमाव वाली परिस्थितियों में चार्ज किया जाता है, तो उन लिथियम आयनों के साथ कुछ खराब होता है। जहाँ वे जाना चाहिए, ऐनोड सामग्री में जाने के बजाय, वे सतह पर धातु के क्रिस्टल बनाने लगते हैं। हम इस पूरी समस्या को "लिथियम प्लेटिंग" कहते हैं। जो बात स्थिति को और खराब बनाती है, वह यह है कि एक बार यह शुरू हो जाए, तो यह मूल रूप से स्थायी क्षति होती है। ऐसा होने पर प्रत्येक बार बैटरी की क्षमता 5% से 20% तक घट जाती है, और ये क्रिस्टल आकार बैटरी के अंदर छोटी शाखाओं की तरह बढ़ते हैं, जिससे खतरनाक लघु परिपथ हो सकते हैं। शून्य डिग्री सेल्सियस से नीचे चीजें वास्तव में जटिल हो जाती हैं क्योंकि आयन अब ज्यादा गति नहीं कर पाते। बैटरी के अंदर प्रतिरोध बहुत बढ़ जाता है, कभी-कभी सामान्य से तीन गुना तक, और इससे चार्ज करते समय वो परेशान करने वाली वोल्टेज स्पाइक्स आती हैं। शोध बताते हैं कि यदि एक बैटरी को केवल दस चार्जिंग चक्र माइनस दस डिग्री सेल्सियस पर चलाया जाए, तो वह उतना ही घिसावट झेलती है जितना कमरे के तापमान पर सौ चक्र चलाने पर होती है। इस सारी परेशानी से बचने के लिए, अधिकांश विशेषज्ञ चार्जिंग प्रक्रिया शुरू करने से पहले बैटरियों को कम से कम पाँच डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने की सलाह देते हैं। यह सरल कदम उन कठोर शीतकालीन परिस्थितियों में भी बैटरी जीवन को बचाने में मदद करता है जिनका सामना कई लोग करते हैं।

सक्रिय सुरक्षा के लिए इंटेलिजेंट बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम का उपयोग करें

बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम (BMS) लिथियम बैटरियों के पीछे का दिमाग के रूप में काम करते हैं, जो लगातार वोल्टेज स्तर, करंट प्रवाह, तापमान में परिवर्तन और बैटरी के अंदर शेष चार्ज की मात्रा जैसी चीजों पर नज़र रखते हैं। ये सिस्टम बैटरियों को जल्दी खराब होने से बचाने के लिए कड़ी मेहनत करते हैं। जब वोल्टेज या ऊष्मा का स्तर बहुत अधिक हो जाता है, तो वे स्वचालित रूप से चार्जिंग की गति को धीमा कर देते हैं या खराबी से बचाने के लिए पूरी तरह से बिजली काट देते हैं। अच्छे BMS यह भी सुनिश्चित करते हैं कि बैटरियों को पूरी तरह से डिस्चार्ज न किया जाए क्योंकि इससे उनके जीवनकाल में भारी कमी आ सकती है - कभी-कभी आंशिक डिस्चार्ज की तुलना में इसे लगभग तीन-चौथाई तक कम कर दिया जा सकता है। तापमान नियंत्रण एक अन्य महत्वपूर्ण विशेषता है क्योंकि कमरे के तापमान से केवल 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि भी बैटरी के जीवनकाल को लगभग आधा कम कर सकती है। कुछ नए मॉडल स्मार्ट सॉफ्टवेयर के साथ आते हैं जो सेल्स के बीच समस्याओं को बड़ी होने से पहले ही पहचान लेते हैं, फिर ऊर्जा को संतुलित करने और कुछ क्षेत्रों के दूसरों की तुलना में तेजी से बूढ़े होने से रोकने के लिए ऊर्जा को स्थानांतरित करते हैं। ये सभी सुरक्षा उपाय मिलकर लिथियम बैटरियों के जीवनकाल को बढ़ाने में मदद करते हैं और थर्मल रनअवे जैसी खतरनाक विफलताओं को जो हम कभी-कभी समाचार रिपोर्टों में सुनते हैं, काफी हद तक कम करते हैं।

दीर्घकालिक स्थिरता के लिए सही भंडारण और रखरखाव प्रथाओं को लागू करें

ठंडी, शुष्क परिस्थितियों में 40%–60% SoC पर आदर्श भंडारण: कैलेंडर एजिंग को लगभग 70% तक कम करना

लिथियम बैटरियाँ उचित तरीके से संग्रहित करने पर काफी लंबे समय तक चलती हैं, क्योंकि इससे कैलेंडर एजिंग (पूर्ण आयुष) को रोका जा सकता है, जो मूल रूप से तब होता है जब वे उपयोग न करने के कारण अपनी क्षमता खो देती हैं। उन्हें लगभग 40% से 60% के बीच चार्ज रखने से आंतरिक घटकों पर कम दबाव पड़ता है, और उन्हें किसी ठंडी जगह पर संग्रहित करना, आदर्श रूप से 15 से 25 डिग्री सेल्सियस के बीच, उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को धीमा कर देता है जो अंततः आंतरिक भागों को नष्ट कर देती हैं। हवा अधिक आर्द्र भी नहीं होनी चाहिए, 50% से कम आर्द्रता सबसे उपयुक्त रहती है क्योंकि नमी से संक्षारण या बैटरी से रिसाव जैसी समस्याएँ हो सकती हैं। इन दिशानिर्देशों का पालन करने से वास्तविक अंतर भी आता है, जिससे 35 डिग्री के गर्म परिस्थितियों में पूर्ण चार्ज में रखी गई बैटरियों की तुलना में वार्षिक क्षमता की हानि में 70% तक की कमी आती है। जो लोग लंबे समय तक बैटरियों को संग्रहित करने की योजना बना रहे हैं, उन्हें अपने वोल्टेज की अवधि-अवधि पर जाँच करनी चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे उस उपयुक्त सीमा के भीतर बने रहें। यह सरल कदम महीनों या वर्षों के अनुपयोग के दौरान पूरी तरह से डिस्चार्ज होकर क्षतिग्रस्त होने से उन्हें रोकता है।

उच्च-दर और अतिचार्ज स्थितियों से बचें जो अपक्षय को तेज करते हैं

त्वरित चार्जिंग के उपयोग के नुकसान: 2C पर 20–30% लिथियम बैटरी चक्र जीवन में कमी, मानक 0.5C चार्जिंग की तुलना में

जब हम तेज़ चार्जिंग और डिस्चार्जिंग साइकिल की बात करते हैं, तो लिथियम-आयन सेल विद्युत रासायनिक दृष्टिकोण से वास्तव में काफी प्रभावित होते हैं। 2C दर पर चार्ज करने का अर्थ है कि बैटरी को महज आधे घंटे में पूरी तरह चार्ज कर दिया जाता है, लेकिन इसकी एक कीमत होती है। अध्ययनों से पता चलता है कि ऐसी परिस्थितियों में उपयोग की जाने वाली बैटरियाँ आमतौर पर मानक 0.5C दर पर चार्ज की जाने वाली बैटरियों की तुलना में केवल लगभग 70 से 80% तक ही चलती हैं। इस क्षरण का कारण तेज़ प्रक्रियाओं के दौरान सेल के आंतरिक हिस्से में होने वाली प्रक्रियाएँ हैं। तेज़ी से गति कर रहे आयन सामान्य से तेज़ी से इलेक्ट्रोलाइट को विघटित कर देते हैं, और साथ ही इलेक्ट्रोड पर SEI परत के निर्माण को भी तेज़ कर देते हैं, जो अंततः समय के साथ कुल क्षमता को कम कर देता है। और अतिचार्जन (ओवरचार्जिंग) के बारे में भी मत भूलें। यह अभ्यास बैटरी के भीतर कई हानिकारक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को जन्म देता है, जो इसके आंतरिक घटकों को गंभीर रूप से क्षतिग्रस्त कर सकते हैं और उसके उपयोगी जीवन को काफी कम कर सकते हैं।

• थर्मल रनअवे का जोखिम : अतिरिक्त वोल्टेज ऊष्मा संचय (>60°C) को प्रेरित करता है, जो कैथोड के क्षरण को तेज़ कर देता है
• लिथियम प्लेटिंग : आवेशन के दौरान 0°C से नीचे एनोड पर धात्विक लिथियम निक्षेप बनते हैं, जिससे अपरिवर्तनीय क्षमता की हानि होती है
• संरचनात्मक क्षति : अति-आवेशन ग्रेफाइट एनोड को डिज़ाइन सीमा से अधिक फैला देता है, जिससे इलेक्ट्रोड सामग्री में दरारें आ जाती हैं

आदर्श चार्जिंग प्रोटोकॉल गति और दीर्घायु के बीच संतुलन बनाए रखते हैं। लिथियम बैटरी के अधिकतम चक्र जीवन के लिए, जहाँ तक संभव हो, चार्जिंग को ‹1C तक सीमित रखें और स्मार्ट चार्जर का उपयोग करें जो 100% वोल्टेज पर चार्जिंग समाप्त कर दें। उच्च-ड्रेन अनुप्रयोग (जैसे पावर टूल) तीव्र चक्रण के दौरान अवक्रमण को दूर करने के लिए तापीय प्रबंधन प्रणालियों से लाभान्वित होते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

लिथियम बैटरी के लिए आदर्श चार्ज स्थिति (SoC) सीमा क्या है?

लिथियम बैटरी के लिए आदर्श SoC सीमा 20% और 80% के बीच होती है, क्योंकि इससे इलेक्ट्रोकेमिकल तनाव कम होता है और बैटरी का जीवन बढ़ जाता है।

तापमान लिथियम बैटरी के चक्र जीवन को कैसे प्रभावित करता है?

मानक संचालन तापमान 25°C से 10°C अधिक तापमान पर संचालन करने से लिथियम बैटरी के चक्र जीवन में लगभग 50% की कमी हो सकती है, जबकि हिमायन तापमान पर संचालन करने से लिथियम प्लेटिंग और स्थायी क्षमता की हानि हो सकती है।

लिथियम प्लेटिंग क्या है?

लिथियम प्लेटिंग तब होती है जब हिमायन तापमान पर आवेशन के दौरान लिथियम आयन बैटरी के एनोड सतह पर धातु क्रिस्टल बनाते हैं, जिससे अपरिवर्तनीय क्षमता की हानि होती है।

बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) लिथियम बैटरी की रक्षा कैसे करती है?

BMS वोल्टेज, धारा, तापमान और आवेश स्तरों की निगरानी करके लिथियम बैटरी की रक्षा करती है, और क्षति को रोकने के लिए स्वचालित रूप से आवेशन गति समायोजित करती है या बिजली काट देती है।