ما هو معدل تدهور سعة بطاريات الليثيوم أيون بمرور الوقت؟

إذا كنت قد اشتريت سكوترًا كهربائيًا عالي الأداء، أو نظامًا قويًا لتخزين الطاقة لمقصورتك خارج الشبكة، أو قطعة من المعدات الصناعية المتعطشة للطاقة، فمن المحتمل أنك اعتمدت على بطاريات أيونات الليثيوم للحفاظ على تشغيلها. كمورد مع سنوات من الخبرة في العمل معبطارية ليثيوم أيون 60 فولت 30 أمبير,بطارية ليثيوم 80 فولت، وغيرها من الطرز المخصصة، لم أتمكن من حساب عدد العملاء الذين يبدأون محادثة بسؤال مماثل: "لماذا تحتفظ بطاريتي بشحن أقل مما كانت عليه عندما اشتريتها لأول مرة؟" إنها قضية محبطة وعالمية، ومتجذرة في الكيمياء الأساسية لكيفية عمل بطاريات أيونات الليثيوم، وكيف نستخدمها مع مرور الوقت.

لا يعد تدهور السعة، أي الفقدان البطيء لقدرة البطارية على تخزين وتوصيل الطاقة الكهربائية، عيبًا فريدًا في تقنية أيونات الليثيوم، ولكنه عامل حاسم لأي شخص يعتمد على هذه البطاريات للحصول على أداء ثابت. على عكس بطاريات الرصاص الحمضية، التي تميل إلى الفشل فجأة، تتحلل بطاريات الليثيوم أيون تدريجيًا، لذلك قد لا تلاحظ الانخفاض البطيء في السعة في البداية - حتى تقطع دراجتك النارية الكهربائية 20 ميلًا فقط مقابل الشحن المقدر 30، أو يعمل نظام الطاقة الاحتياطية الخاص بك لمدة نصف الوقت الذي كان عليه قبل عام. إن فهم أسباب هذا التدهور ليس مجرد أمر أكاديمي بالنسبة لنا كموردين؛ فهو يساعدنا على تثقيف العملاء حول كيفية زيادة عمر البطارية إلى الحد الأقصى، ويشكل كيفية تصميم واختبار النماذج التي نقدمها، بدءًا من الطراز المدمجبطارية ليثيوم أيون 8 أمبيرللأدوات الكهربائية المحمولة للخدمة الشاقةبطارية ليثيوم أيون بقوة 300 أمبيرللتخزين على نطاق الشبكة.

للوصول إلى جذر فقدان السعة، دعونا نبدأ بكيفية عمل بطارية أيون الليثيوم في جوهرها. يوجد داخل كل بطارية ليثيوم أيون قطبان كهربائيان: القطب الموجب (يصنع عادة من أكسيد فلز الليثيوم، مثل أكسيد كوبالت الليثيوم أو فوسفات حديد الليثيوم) والقطب الموجب السالب، وهو الأكثر شيوعًا المصنوع من الجرافيت. يتم فصل هذه الأقطاب الكهربائية عن طريق غشاء رقيق مسامي، مغمور في سائل أو هلام بالكهرباء يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك ذهابًا وإيابًا بين الجانبين. عندما تقوم بشحن البطارية، تترك أيونات الليثيوم الكاثود، وتنتقل عبر الإلكتروليت والغشاء، وتندمج في أنود الجرافيت. عند التفريغ، تنعكس العملية: تعود أيونات الليثيوم إلى الكاثود، لتطلق الطاقة التي تشغل جهازك.

تبدو رقصة الأيونات هذه بسيطة، ولكن مع مرور مئات دورات الشحن والتفريغ، تحدث تغييرات تراكمية صغيرة داخل البطارية مما يؤدي إلى إبطائها وتقليل كمية الشحن التي يمكن تخزينها. تنقسم هذه التغييرات إلى عدة فئات رئيسية، وغالبًا ما تتأثر بكيفية استخدامك للبطارية والعناية بها. دعونا نقسمها واحدة تلو الأخرى، مع الأمثلة المرتبطة بالبطاريات التي نوفرها.

أولاً، السبب الأكثر انتشارًا للتحلل هو تكوين الطور البيني للكهارل الصلب، أو SEI للاختصار. عندما يتم شحن بطارية ليثيوم أيون لأول مرة، تتحلل كمية صغيرة من الإلكتروليت الموجودة على سطح الأنود وتشكل طبقة صلبة رقيقة تغطي جزيئات الجرافيت. يعد SEI أمرًا بالغ الأهمية: فهو منفذ للأيونات، لذا فهو يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور إلى القطب الموجب، ولكنه يمنع المزيد من التفاعلات غير المرغوب فيها بين المنحل بالكهرباء والأنود الذي قد يؤدي إلى تلف البطارية. المشكلة هي أن هذه الطبقة ليست ثابتة. في كل مرة يتم فيها شحن البطارية وتفريغها، يتم احتجاز كمية صغيرة من الليثيوم في طبقة SEI، بدلاً من التحرك بحرية بين الأقطاب الكهربائية. وبمرور الوقت، يتراكم هذا الليثيوم المحبوس، مما يترك كمية أقل متاحة لتشغيل جهازك. لصغيرةبطارية ليثيوم أيون 24v20ahبالنسبة لجرار العشب، هذا يعني أنه بعد 500 دورة كاملة، قد ترى انخفاضًا بنسبة 10% في السعة - وهو أمر يلاحظه العديد من العملاء عندما لا تتمكن جزازة العشب الخاصة بهم من قطع سوى نصف الفناء قبل الحاجة إلى إعادة التعبئة.

العامل الكبير الثاني هو تدهور الكاثود. الكاثود هو مصدر أيونات الليثيوم التي تجعل البطارية تعمل، وهو عرضة للتآكل مثل الأنود. على مدار الدورات، يمكن للجزيئات الصغيرة التي يتكون منها الكاثود أن تتشقق أو تتفكك. لماذا؟ تتسبب أيونات الليثيوم التي تتحرك داخل وخارج الكاثود في تمدد المادة وتقلصها قليلاً مع كل شحنة. وبعد آلاف الدورات، يؤدي هذا التمدد والانكماش المتكرر إلى إضعاف بنية الكاثود، مما يؤدي إلى انقسام الجزيئات. عندما يحدث هذا، لا يمكن الوصول إلى بعض الليثيوم، فهو محصور داخل الجزيئات المكسورة، وغير قادر على الانتقال إلى القطب الموجب أثناء الشحن. للبطاريات ذات الجهد العالي مثل بطارياتنابطارية ليثيوم 80 فولت، التي تعمل على تشغيل معدات البناء الثقيلة، يتم تسريع هذا النوع من التدهور بسبب الجهد العالي والأحمال الحالية العالية. غالبًا ما يقوم المشغلون بتشغيل هذه البطاريات بقدرة شبه كاملة لفترات طويلة، مما يؤدي إلى تسريع تآكل الكاثود، لذلك قد تبدأ شركة البناء في ملاحظة انخفاض في السعة بنسبة 15% بعد 300 دورة فقط، في حين أن بطارية الاستخدام الترفيهي قد تدوم 500 دورة قبل أن تصل إلى هذه العلامة.

السبب الشائع الآخر هو طلاء الليثيوم. تظهر هذه المشكلة عندما يتم شحن البطاريات بسرعة كبيرة، خاصة في درجات الحرارة الباردة. في ظل ظروف الشحن العادية، تنتقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود وتدمج نفسها في بنية الجرافيت. ولكن إذا قمت بشحن البطارية بشكل أسرع من قدرة الأيونات على الحركة، أو إذا كانت البطارية باردة جدًا، فإن الأيونات تواجه صعوبة في الاندماج. وبدلاً من ذلك، فإنها تشكل رواسب ليثيوم معدنية صغيرة على سطح الأنود. مع مرور الوقت، يمكن أن تنمو هذه الرواسب إلى هياكل تشبه الإبرة تسمى التشعبات، والتي تخترق الفاصل بين الأنود والكاثود، مما يسبب دوائر قصيرة. ومع ذلك، حتى طلاء الليثيوم الأصغر حجمًا لا يسبب مخاطر تتعلق بالسلامة فحسب، بل إنه يسحب الليثيوم المتوفر بعيدًا، مما يؤدي إلى فقدان القدرة الدائمة. للعملاء الذين يستخدمون موقعنابطارية ليثيوم أيون 60 فولت 30 أمبيربالنسبة للدراجات الكهربائية، تعد هذه مشكلة متكررة إذا قاموا بشحن دراجتهم في مرآب تنخفض درجة حرارته إلى 30 درجة فهرنهايت أو أقل خلال فصل الشتاء. لقد عاد العديد من العملاء قائلين إن بطاريتهم التي كانت تُشحن بالكامل خلال ساعتين تستغرق الآن 4 ساعات، وتتحمل 80% فقط من شحنها، وهي متجذرة في طلاء الليثيوم الناتج عن الشحن السريع البارد.

تلعب العوامل الخارجية أيضًا دورًا كبيرًا في مدى سرعة تدهور البطارية، وغالبًا ما تكون هذه العوامل ضمن سيطرة المستخدم. درجة الحرارة هي الأكبر. تكون بطاريات الليثيوم أيون أكثر سعادة في البيئات المعتدلة في درجة حرارة الغرفة، بين 20 درجة مئوية و25 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت إلى 77 درجة فهرنهايت). إذا أصبحت البطارية ساخنة جدًا - مثل الجلوس في سيارة مغلقة متوقفة تحت أشعة الشمس المباشرة طوال الصيف، أو استخدامها لتشغيل جهاز يظل ساخنًا لساعات - فإن التفاعلات الكيميائية داخلها تتسارع بشكل كبير، مما يؤدي إلى تسريع تكوين SEI، وتآكل الكاثود، وطلاء الليثيوم. على الجانب الآخر، فإن ترك البطارية في البرد القارس، دون استخدامها، لفترات طويلة يمكن أن يؤدي أيضًا إلى إتلافها. أنصح دائمًا العملاء الذين لديهم بطارية احتياطية لمركبتهم الترفيهية أو قاربهم بتخزينها بنسبة شحن تصل إلى 50% تقريبًا، في مكان بارد وجاف، بدلاً من تركها مشحونة بالكامل أو فارغة بالكامل لعدة أشهر. يمكن أن تعاني البطارية الفارغة بالكامل من تآكل الأنود، في حين أن البطارية المشحونة بالكامل بالحرارة سوف تتحلل بشكل أسرع بكثير من البطارية بنصف الشحن.

يعد عمق التفريغ (DoD) عاملاً رئيسياً آخر. يشير عمق التفريغ إلى مقدار السعة الإجمالية للبطارية التي تستخدمها قبل إعادة شحنها. على سبيل المثال، إذا كان لديكبطارية ليثيوم أيون بقوة 300 أمبيريستخدم لتشغيل نظام تخزين الطاقة الشمسية، وأنت تستخدم فقط 150 أمبير في اليوم، أي 50% من وزارة الدفاع. إذا قمت بتصريفها إلى 30 أمبير، فهذا يعني 90% من وزارة الدفاع. القاعدة الأساسية هي: كلما قمت بتفريغ البطارية بشكل أعمق، كلما تدهورت بشكل أسرع. في كل مرة تقوم فيها بتدوير البطارية بنسبة 100% من الامتلاء إلى الفارغة، فإنك تضع ضغطًا أكبر على الأنود والكاثود مقارنة بالتفريغ الضحل. بالنسبة للعملاء الذين يستخدمون بطارياتهم لتطبيقات مثل الأجهزة الطبية أو الطاقة الاحتياطية، حيث تكون الموثوقية غير قابلة للتفاوض، فهذا يعني التخطيط لاستخدام الطاقة لتجنب التفريغ العميق كلما أمكن ذلك. لقد قمنا بتصميم بطارياتنا مع وضع ذلك في الاعتبار، حيث قمنا ببناء دوائر حماية تمنع الإفراط في التفريغ، ولكننا لا نزال نعمل بشكل وثيق مع العملاء لمساعدتهم على ضبط أنماط الاستخدام الخاصة بهم لإطالة عمر البطارية.

يعد عدد الدورات مقياسًا أسهل في الفهم، وغالبًا ما يكون هو ما يتم إدراجه في أوراق بيانات البطارية باعتباره عمر البطارية. تُعتبر الدورة بمثابة تفريغ وإعادة شحن كاملين، ولكن من المهم ملاحظة أن الدورة لا تؤدي فقط إلى استنزاف البطارية من 100% إلى 0%. على سبيل المثال، فإن تفريغين بنسبة 50% (باستخدام 50% من سعة البطارية في كل مرة) يضيف أيضًا ما يصل إلى دورة كاملة واحدة. ستحتفظ معظم بطاريات الليثيوم أيون بحوالي 80% من سعتها الأصلية بعد 500 إلى 1500 دورة كاملة، اعتمادًا على الكيمياء وكيفية استخدامها. تميل بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP)، التي نستخدمها في العديد من نماذج التخزين الثابتة لدينا، إلى الاستمرار لفترة أطول - غالبًا 2000 دورة أو أكثر - من كيمياء النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA) أو كيمياء النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC)، الشائعة في السيارات الكهربائية وتطبيقات الطاقة المحمولة. ملكنابطارية ليثيوم أيون 8 أمبيربالنسبة للأدوات الكهربائية، على سبيل المثال، تستخدم كيمياء NMC، المصممة للتعامل مع مصارف التيار العالي لفترات قصيرة، ويتم تصنيفها لـ 800 دورة إلى 80٪ من السعة.

تجدر الإشارة إلى أن التدهور يكون تدريجيًا، وليس كل فقدان القدرة دائمًا. في بعض الأحيان، ما يبدو وكأنه بطارية متدهورة لا يتم استخدامه بشكل صحيح. على سبيل المثال، قد تعاني البطارية التي ظلت غير مستخدمة لعدة أشهر من انخفاض مؤقت في سعتها بسبب التفريغ الذاتي. تفرغ بطاريات الليثيوم أيون ذاتيًا بمعدل حوالي 2-3% شهريًا، ولكن إذا تم تخزينها وهي فارغة تمامًا، فقد يؤدي هذا التفريغ الذاتي إلى تآكل الأنود، وهو ما يؤدي إلى خسارة دائمة. يمكن أن يؤدي الشحن السريع والكامل بعد التخزين في بعض الأحيان إلى استعادة هذا الانخفاض المؤقت في السعة.

باعتبارنا موردًا للبطاريات، فإن مهمتنا لا تقتصر على بيع بطارية لك فحسب، بل هي التأكد من أن البطارية تعمل بشكل جيد لأطول فترة ممكنة. لقد أمضينا سنوات في اختبار نماذجنا، بدءًا من الحجم الصغيربطارية ليثيوم أيون 24v20ahلعربات الجولف ذات الطاقة العاليةبطارية ليثيوم أيون 60 فولت 30 أمبيرللدراجات النارية الكهربائية، لفهم كيفية تأثير أنماط الاستخدام المختلفة على التدهور. نقوم بتضمين أدلة رعاية مفصلة مع كل شحنة، وننصح العملاء بشأن درجات حرارة الشحن المثالية، ومستويات وزارة الدفاع الموصى بها، ونصائح التخزين. بالنسبة للعملاء الذين لديهم أساطيل أكبر من البطاريات، مثل شركات البناء أو شركات تركيب الطاقة الشمسية، فإننا نقدم دعمًا مخصصًا لمساعدتهم على إنشاء بنية تحتية للشحن تقلل من التدهور، مما يقلل من تكاليف الصيانة والاستبدال على المدى الطويل.

في نهاية المطاف، لا يعد تدهور القدرة فشلًا لتقنية أيونات الليثيوم، بل هو جزء طبيعي من كيفية عمل هذه البطاريات، وفهمه هو الخطوة الأولى لتحقيق أقصى استفادة من استثمارك. سواء كنت هاويًا يمتلك دراجة كهربائية واحدة، أو صاحب عمل يدير أسطولًا من معدات مناولة المواد، أو عامل تركيب يقوم ببناء نظام شمسي سكني، فإن معرفة أسباب فقدان البطارية لقدرتها يساعدك على ضبط عاداتك لإطالة عمرها. إذا كنت في السوق للحصول على بطارية ليثيوم أيون موثوقة، ومصممة خصيصًا لتطبيقك المحدد، وترغب في معرفة المزيد حول كيفية زيادة عمرها الافتراضي إلى أقصى حد، تواصل مع فريقنا اليوم لمناقشة احتياجاتك.

مراجع:

1. سكروساتي، ب.، وغارش، ج. (2010). بطاريات الليثيوم: الوضع والآفاق والمستقبل. مجلة مصادر الطاقة، 195(9)، 2419-2430.
2. Vetter، J.، Novák، P.، Wagner، MR، Veit، C.، Möller، KC، Besenhard، JO، ... & Winter، M. (2005). آليات الشيخوخة في بطاريات الليثيوم أيون. مجلة مصادر الطاقة، 147(1-2)، 269-281.
3. ليو، دبليو، كومار، في، وتشين، زي. (2019). مراجعة آليات تدهور بطارية الليثيوم أيون وطرق تقدير الحالة الصحية. الطاقات، 12(10)، 1905.
4. بلوم، آي.، كريستيان، جيه.، جونز، س.، باتاغليا، في إس، هنريكسن، جي، وجونسون، سي. (2001). تحليلات الجهد التفاضلي لخلايا الليثيوم أيون عالية الطاقة. 1. التقنية والتطبيق. مجلة مصادر الطاقة, 101(2)، 238-245.