كيفية صيانة بطارية الليثيوم للحصول على أداء أفضل؟

إدارة حالة الشحن: تجنب القيم القصوى من أجل أقصى عمر افتراضي

مخاطر شحن بطارية الليثيوم حتى 100٪ وتفريغها حتى 0٪

شحن بطاريات الليثيوم بالكامل حتى 100٪ أو تركها تنفد تمامًا يسرع في الواقع من تدهورها مع مرور الوقت. عندما تصل الخلايا إلى أقصى شحن، يرتفع الجهد الكهربائي لدرجة تبدأ عندها في تحليل المحاليل الإلكتروليتية داخل البطارية. كما أن التفريغ العميق ليس جيدًا أيضًا لأنه يُعرّض المواد الموجبة داخل البطارية لإجهاد كبير. وفقًا لبحث نُشر العام الماضي من شركة Bonnen Batteries، فإن المركبات الكهربائية التي حافظت على شحنها بين 85٪ و25٪ بدلاً من الشحن الكامل أو التفريغ التام شهدت فقدانًا أقل بنسبة 40٪ تقريبًا في السعة بعد إتمام 1000 دورة شحن. هذا منطقي إذا فكرت فيه بهذه الطريقة: الحفاظ على البطاريات ضمن نطاق الشحن المريح يطيل عمرها بشكل كبير.

نطاق حالة الشحن المثالي (40٪-80٪) للاستخدام اليومي

الحفاظ على شحن بطاريات الليثيوم بين حوالي 40٪ و80٪ للاستخدام اليومي يمنحها في الواقع أداءً جيدًا وعمرًا أطول. وعندما تبقى البطاريات ضمن هذه النقطة المثالية، فإنها تتعرض لضغط كهربائي أقل، مما يساعد في الحفاظ على معظم سعتها دون تغيير. وفقًا لبعض الاختبارات التي أجرتها شركة Large Power على أنظمة البطاريات الصناعية، يمكن للبطاريات التي تُحفظ ضمن هذا النطاق أن تحتفظ بنحو 90٪ من سعتها الأصلية حتى بعد اجتياز 500 دورة شحن. وقد شهد قطاع السيارات نتائج مماثلة أيضًا. تشير الدراسات إلى أن المركبات الكهربائية التي تعمل بشكل رئيسي ضمن نطاق شحن يتراوح بين 20٪ و80٪ تفقد نصف صحة بطارياتها فقط على مدى ثلاث سنوات مقارنة بتلك التي تُدفع إلى الحدود القصوى. ويصبح هذا منطقيًا عندما نفكر في كيفية عمل كيمياء البطارية تحت ظروف شحن مختلفة.

الشحن الجزئي مقابل الشحن الكامل لصحة البطارية: لماذا تساعد عمليات الشحن المتكررة القصيرة

الشحن المتكرر للهواتف جزئيًا، على سبيل المثال من حوالي 30٪ إلى 70٪، يُسبب ضررًا أقل لصحة البطارية مقارنة بإفراغها بالكامل حتى 0٪ ثم شحنها بالكامل. عندما نتحدث عن الشحن الجزئي، فإن ما يحدث هو أن هناك تراكمًا أقل لأيونات الليثيوم على القطب السالب للبطارية، وهذا أحد الأسباب الرئيسية لتدهور البطاريات مع مرور الوقت. الأشخاص الذين يقومون بشحن هواتفهم من مرتين إلى ثلاث مرات خلال اليوم عادةً ما يحصلون على عمر بطارية أطول بنسبة 25٪ تقريبًا مقارنة بأولئك الذين ينتظرون حتى تنطفئ هواتفهم تمامًا قبل التوصيل. قامت إحدى كبرى شركات الهواتف بإجراء بحث في عام 2022 ووجدت أن هذا النمط يتكرر باستمرار عبر مختلف الموديلات وسيناريوهات الاستخدام.

دراسة حالة: مستخدمو الهواتف الذكية الذين يعتادون الشحن بين 20٪ و80٪ يظهرون دورة حياة أطول بنسبة 30٪

تتبعَت دراسة رصدية لمدة 12 شهرًا 1,200 مستخدم لهواتف ذكية حافظوا على نطاقات شحن تتراوح بين 20٪ و80٪ من السعة. وقد حافظت الأجهزة المزودة بأنظمة شحن تكيفية على 92٪ من سعتها الأصلية مقابل 72٪ للأجهزة التي تُشحَن بالدورة الكاملة، مما يدل على أن فوائد التفريغ الجزئي تنطبق بشكل واسع على تطبيقات بطاريات الليثيوم.

الميل العام: تمكين الشركات المصنعة لميزات 'الشحن التكيفي' للحد من الشحن الزائد أثناء الليل

تدمج الشركات المصنعة الكبرى الآن خوارزميات شحن مدعومة بالذكاء الاصطناعي تتعلم أنماط الاستخدام. وتؤخّر هذه الأنظمة اكتمال الشحن الليلي لتقليل الوقت المنقضي عند مستوى شحن 100٪. وتشير التقارير من الأساطيل المستخدمة للشحن التكيفي إلى تراجع أبطأ بنسبة 18٪ في السعة السنوية مقارنةً ببروتوكولات الشحن القياسية.

ممارسات الشحن: المفاضلة بين الشحن السريع والشحن القياسي

تأثير معدل الشحن على عمر البطارية: الحرارة والإجهاد الناتجان عن الشحن السريع

تأتي راحة الشحن السريع بتكلفة خفية على صحة بطاريات الليثيوم. يولد الشحن عالي القدرة حرارة أكثر بنسبة 40٪ مقارنة بالطرق القياسية، مما يسرع من تدهور الأقطاب الكهربائية وتحلل الإلكتروليت. يمكن لهذا الإجهاد الحراري أن يقلل السعة القصوى للشحن بشكل دائم بنسبة تصل إلى 12٪ خلال 300 دورة شحن في الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية (EV).

طرق الشحن المناسبة لبطاريات الليثيوم: متى تستخدم الشحن البطيء مقابل الشحن السريع

أعط الأولوية للشحن البطيء (معدل £1C) للاستخدام اليومي، واحتفظ بالشحن السريع (>2C) للحالات الطارئة. على سبيل المثال:

نقطة بيانات: المركبات الكهربائية التي تستخدم الشحن السريع المستمر تُظهر تدهورًا أسرع بنسبة 15% في السعة

كشفت دراسة استمرت 3 سنوات على 12,000 مركبة كهربائية أن البطاريات المشحونة عبر محطات الشحن السريع المباشر تتدهور أسرع بنسبة 15% مقارنة بتلك التي تستخدم شواحن المستوى 2. وهذا يتماشى مع بيانات المختبرات التي تُظهر زيادة ترسب الليثيوم بنسبة 20% عند 40°م أثناء الشحن السريع.

الاستراتيجية: احجز الشحن السريع للحالات الطارئة، واستخدم الشحن القياسي يوميًا

طبّق قاعدة 80/20: حد من استخدام الشحن السريع إلى 20% من إجمالي جلسات الشحن. فقد حافظ مستخدمو الهواتف الذكية الذين اتبعوا هذا الأسلوب على 95% من سعة البطارية الأصلية بعد سنتين، مقابل 82% للمستخدمين اليوميين للشحن السريع. فعّل ميزات الشحن التكيفي التي تقلل من تدفق الطاقة عند تجاوز مستوى الشحن 80%.

إدارة درجة الحرارة: حماية بطاريات الليثيوم من الإجهاد الحراري

تأثير درجة الحرارة على تقادم بطاريات الليثيوم أيون: عتبة 25°م المثالية

تتمتع بطاريات الليثيوم بأداء وعمر افتراضي مثاليين عند التشغيل بالقرب من 25°م (77°ف). يؤدي الانحراف عن هذه الدرجة إلى تسريع عملية الشيخوخة، حيث يمكن لكل زيادة قدرها 15°م فوق 25°م أن تقلل عمر الدورات النصفية بسبب التحلل المتسارع للكهربائي. تقوم أنظمة إدارة البطارية الحديثة (BMS) بتوازن درجات الحرارة بشكل نشط من خلال المقاومات الحرارية ودورات التبريد.

مخاطر درجات الحرارة العالية: تدهور الكهربائي المتسارع فوق 35°م

التعرض الطويل لدرجات حرارة تتجاوز 35°م يتسبب في أضرار لا يمكن إصلاحها:

• يزيد تبخر الكهربائي من المقاومة الداخلية بنسبة 40-60%
• نمو طبقة SEI يستهلك أيونات الليثيوم الفعالة (0.5-1.2% لكل دورة عند 40°م)
• يتسارع تآكل جامع التيار الألومنيوم مما يؤدي إلى تراجع السعة

تأثيرات درجات الحرارة المنخفضة: ترسب الليثيوم تحت 0°م أثناء الشحن

الشحن عند درجات حرارة أقل من 0°م يؤدي إلى ترسب الليثيوم المعدني على الأقطاب السالبة (الجرافيت)، مما يقلل السعة بنسبة تتراوح بين 5-20% في كل حالة. هذا الترسب يُشكّل فروعًا شجرية (ديندريتات) تزيد من خطر حدوث دوائر قصيرة داخلية. ولهذا، تشترط شركات تصنيع المركبات الكهربائية الآن تسخين البطارية مسبقًا إلى 15°م قبل الشحن السريع بتيار مستمر في الظروف المتجمدة.

أفضل الممارسات: تخزين وتشغيل بطاريات الليثيوم ضمن النطاقات الحرارية الآمنة

• استخدم حلول تبريد نشطة مثل التبريد السائل للتطبيقات التي تزيد عن 5 كيلوواط
• عزل البطاريات الخارجية مع الحفاظ على فجوات هواء بمسافة 2-3 بوصات للتهوية
• تجنب التعرض المباشر لأشعة الشمس حيث يمكن أن تتجاوز درجات حرارة السطح 60°م
• راقب الفروق في درجات حرارة الخلايا واحتفظ بالتغيرات أقل من 5°م

عمق التفريغ وعمر الدورة: تحسين أنماط الاستخدام

يعتمد عمر بطارية الليثيوم بشكل كبير على إدارة عمق التفريغ (DOD) نسبة السعة الكلية المستخدمة في كل دورة. تؤكد الدراسات الحديثة أن عادات التفريغ السطحي يمكن أن تضاعف عمر البطارية الصالح للاستخدام أكثر من ضعف ما هو عليه في حالة التفريغ العميق.

عمق التفريغ وتأثيره على عمر الدورة: تُطيل الدورات الضحلة من العمر الافتراضي

كل تفريغ كامل يُجهد أقطاب بطارية الليثيوم والكهروستات. تُظهر الأبحاث من 2024 ما يلي:

تقلل عمليات التفريغ الجزئي من نمو البلورات في المصعد، مما يحافظ على حركة أيونات الليثيوم. على سبيل المثال، فإن تقييد عمق التفريغ (DoD) بنسبة 50٪ بدلاً من 100٪ يزيد الطاقة الكلية المنقولة على مدى عمر البطارية بنسبة 300٪ (وزارة الطاقة، 2023).

عمر الدورة والاحتفاظ بالسعة مع مرور الوقت: إن عمق تفريغ 20٪ يضاعف العمر مقارنة بـ 80٪ عمق تفريغ

إن عادة استخدام عمق تفريغ 20٪ تمدد عمر بطارية الليثيوم بشكل كبير مقارنةً بعمق تفريغ متوسط مثل 80٪. وجدت الاختبارات التي أجراها محللون في القطاع ما يلي:

• 80% DOD = حوالي 800 دورة قبل انخفاض السعة إلى 80٪
• doD 20% = حوالي 3,200 دورة عند سعة 90٪

يأتي هذا الفرق في دورة الحياة 4x من انخفاض الإجهاد الميكانيكي أثناء التفريغ الجزئي.

الاستراتيجية: استخدام الأجهزة التي تعمل بالبطارية قبل التفريغ الكامل لتقليل الإجهاد

اتبع هذه العادات لتحسين عمق التفريغ (DoD):

1. اشحن الأجهزة عند بقاء السعة بين 30-40%
2. تجنب القلق من نفاد البطارية والتفريغ إلى أقل من 10%
3. استخدم مؤقتات أو مقابس ذكية لمنع الشحن الزائد طوال الليل

تحسن الصانعون الآن بشحن منتصف الدورة، مع أنظمة إدارة البطارية الرائدة التي تحد تلقائيًا من الشحن/التفريغ عند حدود 20-80%.

التخزين طويل الأمد والصيانة: الحفاظ على صحة بطاريات الليثيوم

ظروف تخزين البطارية: المثالية عند شحنها بنسبة 40-60% وفي درجات حرارة باردة

للحفاظ على بطاريات الليثيوم من فقدان قدرتها على الاحتفاظ بالطاقة مع مرور الوقت، فإنها تحتاج إلى ظروف تخزين محددة. يُوصي معظم الخبراء في المجال بتخزينها عند شحن تتراوح نسبته بين 40 و60 بالمئة عند عدم الاستخدام، ووضعها في مكان تبقى فيه درجة الحرارة بين حوالي 15 و25 درجة مئوية (أي ما يعادل تقريبًا 59 إلى 77 درجة فهرنهايت). عندما تتجاوز درجات الحرارة 35 درجة مئوية، تبدأ العمليات التحللية داخل هذه البطاريات بالتسارع. تُظهر بعض الأبحاث أن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات عن المستوى المثالي قد يؤدي إلى تقليص عمر البطارية إلى النصف. كما أن مستويات الرطوبة مهمة أيضًا؛ إذ يمكن لأي نسبة تزيد عن 60% أن تؤدي إلى مشاكل التآكل. إذا كان شخص ما يخطط لتخزين البطاريات لفترة تمتد لعدة مواسم، فمن المنطقي التحقق من الجهد كل بضعة أشهر للتأكد من أن خلايا البطارية لا تعاني من أي خلل.

تجنب السكون مع التفريغ العميق أثناء التخزين الطويل

عندما تبقى بطاريات الليثيوم دون شحن بنسبة أقل من 20٪، فإنها تتعرض لمشاكل جسيمة مثل تراكم الكبريتة الذي يمكن أن يقلل من سعتها بشكل دائم. كما أن هذه البطاريات تفقد الطاقة تدريجيًا مع مرور الوقت، حوالي 1 إلى 5 بالمئة كل شهر فقط بسبب الجلوس دون استخدام، وقد تنتهي بها الحال فارغة تمامًا. إن الممارسة الجيدة للتخزين الطويل الأمد هي شحنها حتى نحو النصف تقريبًا كل ثلاثة أشهر عند عدم الاستخدام. وتكشف نظرة على ما يحدث في مجال الطيران عن أهمية ذلك كثيرًا. فالبطاريات المستخدمة في الطائرات والتي تُترك عند صفر بالمئة لمدة ستة أشهر تفقد عادةً حوالي 18٪ من سعتها الكلية إلى الأبد، في حين تفقد البطاريات التي تُحفظ عند حوالي 50٪ فقط نحو 4٪. وهذا يجعل الفرق الكبير بين الحصول على سنوات من الخدمة من بطارية أو استبدالها قبل الأوان المتوقع بكثير.

مراقبة صحة البطارية من خلال ملاحظة مدة التشغيل وأدوات البرمجيات

تتبع التغيرات في الأداء باستخدام طريقتين:

1. مقارنة مدة التشغيل : لاحظ انخفاض مدة الاستخدام بين عمليات الشحن
2. أدوات التشخيص : استخدم أجهزة تتبع المعاوقة أو البرمجيات الخاصة بالشركة المصنعة لقياس المقاومة الداخلية

أظهر تحليل أُجري في عام 2023 لأنظمة تخزين الطاقة الشمسية أن المستخدمين الذين راقبوا مقاييس الصحة حافظوا على 92% من السعة بعد 1,000 دورة، مقابل 78% في الأنظمة التي لم تتم مراقبتها.

الاتجاه: أنظمة إدارة البطاريات الذكية التي تدمج الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالعمر الافتراضي المتبقي

تبدأ أنظمة إدارة البطاريات اليوم في استخدام خوارزميات التعلّم الآلي لمتابعة كيفية تدهور البطاريات بمرور الوقت. تعتمد الأنظمة الأحدث على عوامل مثل تغيرات الجهد، وتقلبات درجة الحرارة، ودورات الشحن السابقة عند التنبؤ بمدة عمر البطارية. تُظهر بعض الاختبارات أن هذه الأنظمة الذكية يمكنها التنبؤ بالعمر الافتراضي بدقة تبلغ حوالي 89 بالمئة، أي ما يعادل تحسنًا يقدر بنحو 35 بالمئة مقارنة بالأساليب القديمة التي كانت تعتمد فقط على مستويات الجهد. يعني هذا النوع من القدرة التنبؤية أنه يمكن للفنيين إصلاح المشكلات قبل أن تتفاقم. وقد أثبت عمليًا أن هذا النهج يمكنه جعل البطاريات تدوم لفترة أطول تتراوح بين 20 إلى 30 بالمئة، سواء في السيارات الكهربائية أو في حلول تخزين الطاقة على نطاق واسع لأنظمة الشبكات الكهربائية.