אופטימיזציה של טווח מצב הטעינה (SoC) כדי למזער 스טרס אלקטרוכימי

שמירה על בריאות סוללות ליתיום לאורך זמן פירושה ניהול נכון של אופן הטעינה שלהן. כששומרים על טעינה בטווח של כ-20% עד 80%, במקום להרשות להן לרדת מאפס ולעלות למאה, האלקטרודות הפנימיות עוברות פחות או יותר 58% פחות מתח, לפי מחקר של החברה האלקטרוכימית משנת 2023. אסטרטגיה זו, הידועה כגישה של 'איזור אמצעי', עוזרת למנוע בעיות כמו ציפוי ליתיום על האנודה וסדקים שמופיעים בחומר הקטודה, שמהווים סיבות עיקריות לדקgradation של סוללות עם הזמן. ניקח דוגמה מהחיים האמיתיים – טלפונים חכמים. מכשירים כאלה שמפסיקים את הטעינה ב-80%, שומרים על כ-92% מהקיבולת המקורית שלהם גם לאחר 500 מחזורי טעינה מלאים. בהשוואה לטלפונים שנטענים כל פעם עד 100%, אשר שומרים רק על כ-78% מהקיבולת הראשונית לאחר אותו מספר מחזורים.

למה תיבת SoC של 20%–80% מפחיתה דקגרדציה ומקסמת את אורך החיים המחזורי של סוללת הליתיום

מצבי טעינה גבוהים או נמוכים בצורה מתמשכת מגבירים בלאי הכימי:

• por 90% SoC : חמצון האלקטרוליט גורם לאיבוד של כ-1.2% מהקיבולת בחודש
• מתחת ל-15% SoC : התמוססות האנודה מובילה לדעיכה של כ-0.8% בחודש

מחקר של אוניברסיטת מישיגן (2023) אישר שאסטרטגית הטעינה החלקית הזו מכפילה פי ארבע את אורך חיי המחזור בהשוואה לפריקה עמוקה.

השפעת עומק הפריקה (DoD): מ-300 מחזורי פריקה ב-100% DoD ליותר מ-1,200 ב-30% DoD

פריקות רדודות מאריכות בצורה דרמטית את אורך החיים השימושי:

הגבלת עומק הפריקה ל-30% מפחיתה את עייפות המבנה, ומאפשרת יותר מ-1,200 מחזורים תוך שמירה על מעל 90% מהקיבולת – קריטי ליישומים כמו רכב חשמלי ומערכות איחסון אנרגיה.

שליטה על חשיפה לטמפרטורה כדי למנוע זקנה מאיצה תרמית

הידבקות חום: כיצד כל עלייה של +10° צלזיוס מעל 25° צלזיוס מקצרת את מחזור החיים של סוללת ליתיום ב-~50%

כאשר הטמפרטורות עולות גבוה מדי, מתרחשות תגובות כימיות בתוך סוללות ליתיום שגורמות נזק קבוע לאורך זמן. מחקרים מראים שאם הטמפרטורה עולה רק 10 מעלות צלזיוס מעל הסף התקני של 25°‏C, הסוללה מזדקנת בערך פי שניים מהר יותר מהרגיל, כלומר מספר מחזורי הטעינה הכולל קטן. קחו לדוגמה סוללה שתוכננה ל-1,000 מחזורים – אם היא פועלת באופן קבוע בטמפרטורה של כ-35°‏C, היא אולי תגיע בקושי ל-500 מחזורים לפני שאיבדה קיבולת משמעותית. הסיבה? חום מפרק את תמיסת האלקטרוליט, גורם לשכבה המגנטה SEI לגדול עבה יותר מהרגיל, וגורם למתכות בקתודה להיגרם אל תוך המערכת. גם כאשר לא משתמשים בסוללות באופן פעיל, שמירה עליהן בחום מוגברת ממשיכה להאיץ בצורה דרמטית את קצב ההידרדרות שלהן. שימור טמפרטורת עבודה מתחת ל-30°‏C באמצעות ניהול תרמי תקין נשאר הכרחי לחלוטין כדי להפיק את המירב מסוללות ליתיום ביישומים אמיתיים חמורים שבהם הביצועים חשובים ביותר.

סיכוני טעינה בטמפרטורות נמוכות: ציפוי ליתיום ואיבוד קיבולת קבוע מתחת ל-0°C

כשטענים ליתיום נטענים בתנאים של קור קפוא, קורה משהו רע ליוני הליתיום. במקום לחדור לחומר האנודה, שבו עליהם להיכנס, הם מתחילים ליצור גבישים מתכתיים על פני השטח. אנו מכנים תופעה זו "ציפוי ליתיום". מה שמחריף את המצב הוא שברגע שהתהליך מתחיל, הנזק הוא קבוע בעיקרו. בכל פעם שמדובר בпроיסה זו, הקיבולת יורדת בין 5% ל-20%, והצורות הגבישיות צומחות כמו ענפים קטנים בתוך הסוללה, מה שיכול להוביל לקצר חשמלי מסוכן. הדברים הופכים לקשים במיוחד מתחת לאפס מעלות צלזיוס, כיוון שהיונים פשוט כבר לא נעים הרבה. ההתנגדות הפנימית בסוללה עולה בצורה משמעותית, לפעמים פי שלושה ממה שהיא בדרך כלל, וגורם לשיאי מתח מטרידים בעת ניסיון לטעון. מחקר מראה שאם סוללה עוברת רק עשרה מחזורי טעינה בטמפרטורה של מינוס עשר מעלות צלזיוס, היא סובלת מבלאי דומה לזה של מאה מחזורי טעינה בטמפרטורת החדר. כדי להימנע מכל הרוע הזה, מרבית המומחים ממליצים לחמם את הסוללות לפחות לחמישה מעלות צלזיус לפני תחילת תהליך הטעינה. צעד פשוט זה עוזר לשמור על חיי הסוללה גם בתנאי החורף הקיצוניים שלמרבה אנשים.

השתמש במערכות ניהול סוללות חכמות להגנה פרואקטיבית

מערכות ניהול סוללות (BMS) פועלות כהמוח מאחורי סוללות ליתיום, ועוקבות כל הזמן אחר דברים כמו רמות מתח, זרימת זרם, שינויים בטמפרטורה וכמה טעינה נותרה בסוללה. מערכות אלו עוזרות למנוע מהסוללות להיגמר במהירות יתר על המידה. כאשר יש עלייה במתח או בחום, הן замזיזות אוטומטית את מהירות הטעינה או מכבות את האספקת חשמל לחלוטין כדי להגן מפני נזק. BMS טוב גם מבטיח שהסוללות לא יתרוקנו לגמרי, שכן פעולה זו עלולה לקצר בצורה דרמטית את אורך החיים שלהן – לפעמים עד לרבע מאורך החיים בהשוואה למצב שבו הן נטענות לאחר פריקות חלקית. בקרת טמפרטורה היא תכונה נוספת חשובה, כיוון שעלייה קטנה של 10 מעלות צלזיוס מעל הטמפרטורה החדר יכולה לקצר את חיי הסוללה כמעט לחצי. דגמים חדשים יותר מצוידים לעיתים בתקנות חכמות שזוהות בעיות בין תאים עוד לפני שהן הופכות לבעיות גדולות, ואז מפנות אנרגיה כדי לאזן את המצב ולמנוע מאזורים מסוימים להזדקן מהר יותר מאחרים. כל הגנות אלו יחדיו עוזרות להאריך את אורך החיים של סוללות הליתיום ולצמצם משמעותית כשלים מסוכנים כגון ריצה תרמית, ששמעים עליה מדי פעם בדוחות חדשות.

החלה עקרונות נכונים של אחסון ותחזוקה ליציבות ארוכת טווח

אחסון אידיאלי ברמת טעינה של 40%–60% בתנאים קרים ויובש: צמצום זיקנה קלנדרית ב-70%

סוללות ליתיום עולות הרבה יותר כשהן מאוחסנות נכון, מכיוון שכך ניתן למנוע את מה שנקרא הזדקנות קלנדרית, שהיא פשוט אובדן קיבולת בזמן שהסוללה נמצאת ללא שימוש. שמירה על טעינה של בין 40% ל-60% מפחיתה את המתח על רכיבי הפנים, ואחסון במקום קריר, אידיאלי בין 15 ל-25 מעלות צלזיוס, замם את התגובות הכימיות שמובילות בסופו של דבר להרס הפנים. גם האוויר לא צריך להיות לח במיוחד, רמת לחות תחת 50% מתאימה ביותר כיוון ש습ות יכולה לגרום לבעיות כמו קורוזיה או אפילו דליפות מהסוללה עצמה. עמידה בהנחיות אלו יוצרת הבדל אמיתי, ומקטינה את אובדן הקיבולת השנתי ב-70% בהשוואה לאחסון בסוללות טעונות לחלוטין בתנאים חמים יותר, סביב 35 מעלות. כל מי שמתכנן לאחסן סוללות לתקופה ארוכה צריך לבדוק באופן עקבי את המתח כדי לוודא שהוא נשאר בטווח האופטימלי. צעד פשוט זה מונע נזק שעשוי להיגרם כתוצאה מהתרוקנות מוחלטת במהלך חודשים או שנים של אי שימוש.

הימנע ממצבים של טעינה מהירה ומטעינה מופרזת שמאיצים את הירידה בביצועים

פערים בטעינה מהירה: ירידה של 20–30% באורך חיי המחזור של סוללת ליתיום ב-2C לעומת טעינה סטנדרטית של 0.5C

כאשר מדובר על מחזורי טעינה ופריקה מהירים, תאי ליתיום-יון סובלים מאוד מבחינה אלקטרוכימית. טעינה בקצב של 2C משמעה שהסוללה נטענת לחלוטין תוך חצי שעה בלבד, אך זה בא בעלות. מחקרים מראים שסוללות שנחשפו לתנאים אלו אומדות להתקיים רק כ-70–80% משך הזמן של סוללות שנטענות בקצב הסטנדרטי של 0.5C. הסיבה להידרדרות זו נמצאת במה שקורה בתוך התא במהלך התהליכים המהירים האלה. יונים נעים במהירות גבוהה יותר, מה שגורם לפירוק המהיר של האלקטרוליט, וכן מאיץ את היווצרות שכבת SEI על האלקטרודות, מה שמפחית בסופו של דבר את הקיבולת הכוללת לאורך זמן. ואל נשכח גם מהטעינה המופרזת. פרקטיקה זו גורמת למגוון תגובות כימיות מזיקות בתוך הסוללה שיכולות לפגוע בצורה חמורה ברכיבים הפנימיים שלה ולצמצם משמעותית את אורך החיים השימושי שלה.

• סיכון לריצה תרמית : מתח מופרז גורם להצטברות חום (>60°C), מה שממהיר את הידרדרות הקטודה
• שיפוי ליתיום : שיקועי ליתיום מתכתיים נוצרים על האנודות מתחת ל-0°C במהלך טעינה, מה שגורם לאיבוד קיבולת בלתי הפיך
• נזק מבני : טעינה מופרזת מורחבת את האנודות הגרפיטיות מעבר לגבולות העיצוב, וגורמת לתססים בחומרי האלקטרודה

פרוטוקולי טעינה אופטימליים מאוזנים בין מהירות לאורך חיים. לצורך אורך מחזור מרבי של סוללות ליתיום, מומלץ להגביל את הטעינה לפחות מ-1C אם אפשר, ולהשתמש במטענים חכמים שמפסיקים את הטעינה ב-100% מתח. יישומים עם פליטת זרם גבוהה (למשל כלים חשמליים) נהנים ממערכות ניהול תרמי כדי לצמצם התדרדרות במהלך מחזורי טעינה/פריקה מהירים.

שאלות נפוצות (FAQ)

מהו טווח מצב הטעינה (SoC) האופטימלי לסוללות ליתיום?

הטווח האופטימלי של מצב הטעינה (SoC) עבור סוללות ליתיום הוא בין 20% ל-80%, כיוון שטווח זה ממזער את המתח האלקטרוכימי ומאריך את חיי הסוללה.

איך טמפרטורה משפיעה על אורך מחזור של סוללות ליתיום?

הגדלת טמפרטורה ב-10°C מעל טמפרטורת הפעלה סטנדרטית של 25°C יכולה לקצר את מחזור החיים של סוללת ליתיום בכ-50%, בעוד שהפעלה בתנאי קורקוש יכולה להוביל לציפוי ליתיום ואיבוד קיבולת קבוע.

מהו ציפוי ליתיום?

ציפוי ליתיום מתרחש כאשר יוני ליתיום יוצרים גבישים מתכתיים על פני האנודה של הסוללה במהלך טעינה בטמפרטורות מתחת לנקודת הקיפאון, מה שגורם לאיבוד קיבולת בלתי הפיך.

איך מערכות ניהול סוללות (BMS) מגנות על סוללות ליתיום?

מערכות BMS מגנות על סוללות ליתיום ע"י ניטור מתח, זרם, טמפרטורה ורמות טעינה, ומסדרות אוטומטית את מהירות הטעינה או מכבות את החשמל כדי למנוע נזק.