ما هي مدة عمر بطارية الليثيوم في الأنظمة الشمسية؟

فهم عمر بطارية الليثيوم: العمر الزمني، عمر الدورة، والأداء في العالم الحقيقي

العمر الزمني مقابل عمر الدورة: ما الذي تُظهره كل مقاييس عن عمر بطارية الليثيوم الافتراضي

عند الحديث عن مدة صلاحية البطاريات الليثيومية، ننظر عادةً إلى عاملين رئيسيين: العمر الزمني وعدد الدورات. العمر الزمني يعني ببساطة كم سنة تبقى فيها البطارية جيدة حتى لو ظلت على الرف دون استخدام، وذلك إلى أن تنخفض سعتها إلى أقل من 80% من سعتها الأصلية. ويحدث هذا بشكل أساسي بسبب التحلل التدريجي للمواد الكيميائية داخل البطارية مع مرور الوقت. أما عدد الدورات فيختلف قليلاً، إذ يعتمد على حساب عدد المرات التي يمكن للبطارية أن تُشحن وتُفرغ بالكامل قبل أن تصل إلى نفس النقطة المتمثلة في انخفاض السعة إلى 80%. على سبيل المثال، خذ بطارية تدّعي عمرًا قدره 3,000 دورة؛ إذا استخدم شخص ما البطارية مرة واحدة كل يوم، فقد تستمر حوالي عشر سنوات. لكن الأمور تتغير حسب الظروف. فبعض البطاريات تتدهور أسرع بسبب عمليات الشيخوخة الطبيعية، في حين تظل أخرى صالحة لفترة أطول إذا لم تُستخدم كثيرًا. وفي كلتا الحالتين، بمجرد الوصول إلى أحد هذين الحدين، تعتبر البطارية قد وصلت رسميًا إلى نهاية عمرها الافتراضي.

عمر بطاريات الليثيوم من نوع LFP مقابل NMC: لماذا تحدد التركيبة الكيميائية مدة الخدمة التي تتراوح بين ٨ و١٥ عامًا فأكثر

تؤثر التركيبة الكيميائية للبطارية تأثيرًا جوهريًّا في طول عمرها، وسلامتها، ومدى ملاءمتها للتطبيق:

• LFP (ليثيوم حديد فوسفات) : تعتمد على بنية بلورية أوليفينية مستقرة حراريًّا لتوفير مدة خدمة تتراوح بين ٨ و١٥ عامًا فأكثر، مع عدد دورات يتراوح بين ٢٥٠٠ و٩٠٠٠ دورة. وتكمن مقاومتها العالية لدرجات الحرارة المرتفعة وقدرتها على العمل بكفاءة عند حالات شحن جزئية في جعلها مناسبة جدًّا لتطبيقات تخزين الطاقة الشمسية، حيث يفوق الاهتمام بالموثوقية على المدى الطويل متطلبات كثافة الطاقة.
• NMC (نيكل المنغنيز الكوبالت) : تُركِّز على كثافة طاقة أعلى وإخراج قدرة أعلى، لكنها تضحي بطول العمر — إذ توفر عادةً مدة خدمة تتراوح بين ٧ و١٢ عامًا وعدد دورات يتراوح بين ١٠٠٠ و٢٠٠٠ دورة. وهي تتحلَّل بشكل أسرع تحت تأثير الحرارة المستمرة، أو الإجهاد الجهدِي، أو التفريغ العميق.

وبالنسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية الثابتة، فإن العمر الزمني الأطول والثبات الحراري المتفوِّق لبطاريات LFP غالبًا ما يبرِّر اعتمادها الواسع رغم انخفاض كثافتها الحجمية للطاقة.

العوامل الحرجة التي تُسرِّع تدهور بطاريات الليثيوم في تطبيقات الطاقة الشمسية

عمق التفريغ (DoD): كيف يؤثر المدى التشغيلي مباشرةً على عدد دورات بطارية الليثيوم

يعمل عمق التفريغ، أو DoD باختصار، على إخبارنا بشكل أساسي بمقدار طاقة البطارية التي تُستهلك قبل أن نحتاج إلى شحنها مرة أخرى. وبصراحة، فإن لهذا العامل تأثيرًا كبيرًا على المدى الكلي لعمر البطاريات. فعندما تنخفض البطاريات بانتظام إلى مستويات منخفضة جدًا، مثل حوالي 80٪ من حالة الشحن، فإنها تتعرض لضغط أكبر بكثير على مكوناتها الداخلية مقارنةً عندما يتم تفريغها جزئيًا فقط، ربما حوالي 50٪. تُظهر الأبحاث أنه إذا دارت البطارية عند عمق تفريغ 80٪ بدلاً من 50٪ فقط، فإن عدد دورات الشحن الكلية لها تنخفض بنحو النصف. وهذا يعني فقدانًا أسرع للسعة ومزيدًا من البلى والتلف داخل خلايا البطارية. وبالنسبة لأنظمة الطاقة الشمسية على وجه الخصوص، حيث يؤدي الطقس غير المتوقع والتغيرات في الطلب على الطاقة إلى ظهور مجموعة متنوعة من سيناريوهات التفريغ، فإن من المنطقي ضبط النظام للحفاظ على مستوى متوسط بين مستويات الشحن (مثل الحفاظ على البطارية بين 20٪ و80٪) لتحقيق أطول عمر ممكن لتلك حزم البطاريات المكلفة.

إدارة درجة الحرارة: لماذا تُعَدّ درجات الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الخلايا العاملين الرئيسيين في شيخوخة بطاريات الليثيوم

عندما يتعلق الأمر ببطاريات الليثيوم، فإن درجة الحرارة تُعد على الأرجح العامل البيئي الأول الذي يؤثر على عمرها الافتراضي. عندما ترتفع الحرارة بشكل مفرط، سواء من البيئة المحيطة أو من داخل الخلايا نفسها، تبدأ تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها. وتؤدي هذه التفاعلات إلى تكوين ما يُعرف بطبقة التفاعل الصلبة-الإلكتروليتية (SEI)، التي تجعل البطارية تعمل بجهد أكبر لأنها تزيد من المقاومة الداخلية وتباطؤ حركة الأيونات المهمة. تشير الدراسات إلى أنه عندما تظل درجات الحرارة فوق 35 درجة مئوية، يمكن لطبقة SEI أن تزيد المقاومة بنسبة تصل إلى 30 بالمائة سنويًا. ومن الناحية المقابلة، فإن محاولة شحن هذه البطاريات عند درجات حرارة تحت الصفر تفتح بابًا آخر من المشاكل تُعرف باسم ترسيب الليثيوم (lithium plating)، مما يؤدي إلى فقدان دائم في السعة وأحيانًا حدوث تماس كهربائي داخلي خطير. يوصي معظم المصنّعين بالحفاظ على درجة حرارة البطاريات بين 20 و25 درجة مئوية للحصول على أفضل أداء. وكلما ابتعدت الحرارة عن هذا المدى المثالي، زادت سرعة التدهور بشكل كبير، أحيانًا بسرعة تصل إلى 10 إلى 15 ضعفًا مقارنة بالوضع الطبيعي عند درجات الحرارة القصوى. ويصبح هذا الأمر بالغ الأهمية خاصة في أنظمة الطاقة الشمسية، نظرًا لتكرار تركيبها في أماكن لا تتوفر فيها أنظمة تحكم مناخي أو في أشعة الشمس المباشرة حيث تتقلب درجات الحرارة بشكل كبير. ولهذا السبب، لم تعد حلول الإدارة الحرارية المناسبة مثل تصميم تهوية جيد، أو مواد خاصة تمتص التغيرات الحرارية، أو أنظمة تبريد فعلية مجرد خيارات مرغوبة. بل أصبحت ضرورية تمامًا إذا كان أحد ما يرغب في أن تعمل بطارياته بأداء جيد وأن تحافظ على تغطية الضمان مع مرور الوقت.

تعظيم عمر خدمة بطاريات الليثيوم من خلال التصميم الذكي للنظام وتحسين نظام إدارة البطارية (BMS)

دور نظام إدارة البطارية (BMS) في حماية صحة بطارية الليثيوم وتمديد عمرها الافتراضي

يُعد نظام إدارة البطارية (BMS) الحارس الفعلي للبطارية في الوقت الفعلي، حيث يقوم باستمرار بمراقبة الجهد على مستوى الخلية، ودرجة الحرارة، والتيار، وحالة الشحن. وتشمل وظائفه الأساسية الوقائية ما يلي:

• الالتزام بحدود الجهد لمنع الشحن الزائد والتفريغ العميق
• إجراء موازنة خلوية سلبية أو نشطة للحفاظ على توحيد حالة الشحن عبر الحزمة بأكملها
• تشغيل إيقاف حراري أو تخفيض الأداء عند الخروج عن النطاقات التشغيلية الآمنة (0–45°م الموصى بها)

إن نظام إدارة البطارية (BMS) القوي والمُعد خصيصًا للتطبيق لا يمنع فقط الفشل الكارثي، بل يعمل بنشاط على تقليل مسارات التدهور. ويؤكد الاختبار المستقل أن البطاريات التي تفتقر إلى تحكم دقيق في نظام إدارة البطارية تتعرض لفقدان السعة بمعدل أسرع يصل إلى ثلاث مرات، مع حوادث الانطلاق الحراري التي تترتب عليها خسائر تشغيلية متوسطة تتجاوز 740,000 دولار أمريكي (معهد بونيمون، 2023).

أفضل الممارسات الخاصة بالطاقة الشمسية: اختيار السعة المناسبة، وتجنب الشحن الزائد، وملف الشحن التكيفي لزيادة عمر البطارية الليثيومية

تؤثر الخيارات التصميمية الخاصة بالأنظمة الشمسية بشكل مباشر على ما إذا كانت البطارية الليثيومية تحقق عمرها الافتراضي أم لا. وتشمل الممارسات الرئيسية القائمة على الأدلة ما يلي:

• اختيار السعة المناسبة للعمل ضمن نطاق شحن يتراوح بين 20٪ و80٪، تجنبًا للحالتين المتطرفتين عاليتي الإجهاد عند 0٪ و100٪
• استخدام ملف الشحن التكيفي ، حيث يتم تقليل جهد الشحن ديناميكيًا مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة—لأن كل زيادة بمقدار 10°م فوق 25°م يمكن أن تضاعف معدلات التدهور
• إيقاف الشحن الدائم/الشحن التقطيري ، مما يؤدي إلى إجهاد جهد غير ضروري خلال فترات الحمل المنخفض
• دمج تنظيم حراري نشط أو سلبي وخاصة أثناء ذروة الإشعاع وفترة أشهر الصيف

تُحقق الأنظمة التي تتبع هذه المبادئ عادةً أكثر من 15 عامًا من الخدمة مع الحفاظ على أكثر من 80٪ من السعة الأصلية — ما يؤكد أن الطول في العمر الافتراضي لا يتعلق بالكيمياء وحدها، بل يعتمد بشكل أكبر على دمج ذكي للنظام

تقييم نهاية عمر البطارية الليثيومية: شروط الضمان، والاحتفاظ بالسعة، وتوقيت الاستبدال

نهاية عمر بطاريات الليثيوم لا تحدث عادة فجأة مثل العطل التام. بل هي أكثر من ذلك تدهورًا تدريجيًا يُعرّفه المصنعون من خلال شروط الضمان ومعايير الأداء المحددة. وتحدد شروط الضمان عمومًا نهاية العمر (EOL) عندما تنخفض سعة البطارية إلى ما بين 60٪ و80٪ من السعة الأصلية المعلنة، وهو ما يحدث غالبًا مع بلوغ العشر سنوات. لكننا نرى الآن بعض شركات تصنيع البطاريات الكبرى تضيف معيارًا آخر أيضًا – حيث تنظر في كمية الطاقة التي مرت عبر النظام بمرور الوقت، مثل 30 مليون واط ساعة تم تسليمها. وأيهما حدث أولًا هو الذي يحدد ما إذا كان الضمان لا يزال ساريًا. لذا عند النظر في عمر البطارية، هناك رقمان رئيسيان فقط يستحقان الانتباه إليهما:

• السعة الدنيا المضمونة عند انتهاء مدة الضمان (مثلاً: "70٪ متبقية بعد 10 سنوات")
• حد إجمالي تدفق الطاقة , ويُعبّر عنه بوحدة الميغاواط ساعة (MWh)، والذي يأخذ بعين الاعتبار شدة الدورات الفعلية في الاستخدام الحقيقي

من المهم أن الوصول إلى نهاية عمر الضمان لا يعني بالضرورة الحاجة إلى الاستبدال الفوري: فكثير من بطاريات الليثيوم الحديديد الفوسفات (LFP) تواصل تقديم أداء موثوق، وإن كان مخفضًا، لعدة سنوات إضافية. ويعتمد توقيت الاستبدال الاستراتيجي على مراقبة منتظمة لحالة البطارية (SoH)، وليس فقط على العمر الزمني، تجنبًا للتوقفات غير المتوقعة مع تحسين التكلفة الإجمالية للملكية.

أسئلة شائعة حول عمر بطاريات الليثيوم

ما الفرق بين العمر الزمني وعمر الدورة في بطاريات الليثيوم؟

يشير العمر الزمني إلى عدد السنوات التي تظل فيها البطارية صالحة للعمل حتى دون استخدام، حتى تنخفض سعتها إلى أقل من 80٪، في حين يشير عمر الدورة إلى عدد دورات الشحن والتفريغ الكاملة التي يمكن أن تخضع لها البطارية قبل الوصول إلى نفس النقطة.

كيف تؤثر درجة الحرارة على عمر بطارية الليثيوم؟

تسبب درجات الحرارة القصوى تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها في بطاريات الليثيوم، مما يسرّع من عملية التدهور. ويُوصى بالحفاظ على درجة حرارة البطاريات بين 20 و25 درجة مئوية لتقليل الشيخوخة.

هل يعني الوصول إلى نهاية ضمان نهاية العمر أنه يجب عليّ استبدال بطارية الليثيوم الخاصة بي؟

لا، انتهاء فترة ضمان البطارية لا يستدعي استبدالها فورًا. يمكن للعديد من البطاريات أن تواصل توفير أداء موثوق به، وإن كان مخفضًا، لسنوات عديدة تتجاوز الفترة المحددة.