كيف لإطالة بطاريات ليثيوم

اكتشف الأسباب التي تجعل من عمر Li-ion عمرًا وما يمكن أن يفعله مستخدم البطارية لإطالة عمرها.

يركز بحث البطارية على كيمياء الليثيوم لدرجة أنه يمكن للمرء أن يتصور أن مستقبل البطارية يكمن فقط في الليثيوم. هناك أسباب وجيهة للتفاؤل حيث أن أيون الليثيوم ، من نواح عديدة ، متفوق على كيمياء أخرى. تتزايد التطبيقات وتتعدى إلى الأسواق التي كانت في السابق ممسكة بقوة بحمض الرصاص ، مثل وضع الاستعداد ومستوى التحميل. العديد من الأقمار الصناعية هي أيضا مدعوم من قبل ليثيوم أيون.

لم تنضج أيونات الليثيوم بعد ولا تزال تتحسن. وقد أحرز تقدم ملحوظ في طول العمر والسلامة في حين أن القدرة تتزايد بشكل متزايد. اليوم ، يفي أيون بتوقعات معظم الأجهزة الاستهلاكية ولكن تطبيقات EV تحتاج إلى مزيد من التطوير قبل أن يصبح مصدر الطاقة هذا المعيار المقبول.

ما الذي يسبب الليثيوم أيون في العمر؟

تعمل بطارية ليثيوم أيون على حركة أيون بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية. من الناحية النظرية ، يجب أن تعمل هذه الآلية إلى الأبد ، ولكن التدوير ، وارتفاع درجة الحرارة ، والشيخوخة يؤدي إلى انخفاض الأداء بمرور الوقت. يتخذ المصنعون نهجًا محافظًا ويحددون حياة Li-ion في معظم المنتجات الاستهلاكية حيث تتراوح بين 300 و 500 دورة تفريغ / شحن.

لا يعد تقييم عمر البطارية في دورات العد نهائيًا لأن التفريغ قد يختلف في العمق ولا توجد معايير محددة بوضوح لما يشكل دورة. بدلاً من عدد الدورات ، يقترح بعض مصنعي الأجهزة استبدال البطارية على طابع التاريخ ، ولكن هذه الطريقة لا تأخذ الاستخدام في الاعتبار. قد تفشل البطارية في غضون الوقت المخصص بسبب الاستخدام الكثيف أو ظروف درجة الحرارة غير المواتية ؛ ومع ذلك ، فإن معظم العبوات تدوم أطول بكثير مما يشير إليه الطابع.

يتم قياس أداء البطارية بسعة ، وهو مؤشر صحي رئيسي. تلعب أيضًا المقاومة الداخلية والتفريغ الذاتي أدوارًا ، ولكنها أقل أهمية في التنبؤ بنهاية عمر البطارية باستخدام وحدة Li-ion الحديثة.

يوضح الشكل 1 انخفاض قدرة 11 بطارية ليثيوم بوليمر تم تدويرها في مختبر Cadex. تم شحن خلايا الحقيبة سعة 1500 مللي أمبير في الساعة للهواتف المحمولة أولاً بتيار 1500mA (1C) إلى 4.20 فولت / خلية ، ثم تم السماح لها بالإشباع إلى 0.05C (75mA) كجزء من تشبع الحمل الكامل. ثم تم تفريغ البطاريات عند 1500mA إلى 3.0V / cell ، وتم تكرار الدورة. كان فقدان القدرة المتوقع لبطاريات Li-ion ثابتًا على مدى تسليم 250 دورة والبطاريات على النحو المتوقع.

تم اختبار أحد عشر سيارة Li-ion جديدة على محلل بطارية Cadex C7400. بدأت جميع العبوات بسعة 88-94٪ وانخفضت إلى 73-84٪ بعد 250 دورة تفريغ كاملة. يتم استخدام حزم الحقيبة 1500mAh في الهواتف المحمولة.

توضح الجداول التالية خسائر القدرة المرتبطة بالإجهاد على أيون الليثيوم القائم على الكوبالت. الفولتية من فوسفات الحديد الليثيوم وتيتانات الليثيوم أقل ولا تنطبق على مراجع الجهد المعطى.
على الرغم من أن البطارية يجب أن توفر قدرة 100٪ خلال السنة الأولى من الخدمة ، فمن الشائع رؤية قدرات أقل من السعات المحددة ، وقد تسهم مدة الصلاحية في هذه الخسارة. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الشركات المصنعة إلى المبالغة في البطاريات الخاصة بها ، مع العلم أن عددًا قليلاً جدًا من المستخدمين سيقومون بإجراء عمليات تفتيش مفاجئة ويشكون إذا كانت منخفضة. عدم الاضطرار إلى مطابقة الخلايا الفردية في الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية ، كما هو مطلوب في حزم متعددة الخلايا ، يفتح الأبواب المغلقة للحصول على قبول أداء أوسع بكثير. قد تنزلق الخلايا ذات القدرات المنخفضة من خلال الشقوق دون معرفة المستهلك.

على غرار الجهاز الميكانيكي الذي يرتدي بشكل أسرع مع الاستخدام الكثيف ، يحدد عمق التفريغ (DoD) عدد دورة البطارية. كلما صغر حجم التفريغ (انخفاض DoD) ، كلما استمرت البطارية. إذا كان ذلك ممكنا ، تجنب التصريف الكامل وشحن البطارية في كثير من الأحيان بين الاستخدامات. التفريغ الجزئي على Li-ion على ما يرام. لا توجد ذاكرة ولا تحتاج البطارية إلى دورات تفريغ كاملة دورية لإطالة العمر. قد يكون الاستثناء عبارة عن معايرة دورية لقياس الوقود على بطارية ذكية أو جهاز ذكي.

ﻳﻘﺪر اﻟﺠﺪول 2 ﻋﺪد دورات اﻟﺘﻔﺮﻳﻎ / اﻟﺸﺤﻦ اﻟﺘﻲ ﻳﻤﻜﻦ أن ﺗﻘﺪﻣﻬﺎ ﻟﻴﻮن اﻷﻳﻮن ﻓﻲ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻣﺴﺘﻮﻳﺎت وزارة اﻟﺘﻌﻠﻴﻢ ﻗﺒﻞ اﻧﺨﻔﺎض ﺳﻌﺔ اﻟﺒﻄﺎرﻳﺔ إﻟﻰ 70 ﻓﻲ اﻟﻤﺎﺋﺔ. تشكل وزارة الدفاع شحنة كاملة يتبعها تصريف إلى مستوى الحالة المحدد (SoC) في الجدول.

أيون الليثيوم يعاني من الإجهاد عند تعرضه للحرارة ، وكذلك الحفاظ على خلية في الجهد عالي الشحن. وتعتبر درجة حرارة البطارية فوق 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت) درجة حرارة مرتفعة وبالنسبة لمعظم الليثيوم ، يعتبر الجهد الكهربي أعلى من 4.10 فولت / خلية كجهد عالي . يمكن أن يكون تعريض البطارية لدرجات الحرارة العالية والمسكن في حالة كاملة من الشحن لفترة طويلة أكثر إرهاقًا من ركوب الدراجات. يوضح الجدول 3 فقد السعة كدالة لدرجات الحرارة و SoC.

معظم شحنات أيونات الليثيوم إلى 4.20 فولت / خلية ، ويقال إن كل انخفاض في الجهد تهمة الذروة من 0.10V / خلية لمضاعفة الحياة دورة. على سبيل المثال ، عادة ما توفر خلية أيونات الليثيوم المشحونة على 4.20 فولت / خلية ما بين 300 و 500 دورة. إذا تم تحميلها على 4.10 فولت / خلية فقط ، يمكن إطالة العمر إلى 600-1000 دورة ؛ يجب أن تقدم 4.0V / خلية 1،200-2000 و 3.90V / خلية يجب أن توفر 2400 - 4000 دورة.

على الجانب السلبي ، يقلل الجهد المنخفض لشحنة الذروة من السعة التي تخزنها البطارية. كمبدأ توجيهي بسيط ، يقلل كل خفض جهد الشحن بمقدار 70 ميغاواط من السعة الكلية بنسبة 10٪. سيؤدي تطبيق جهد الشحن الذروة على شحنة لاحقة إلى استعادة السعة الكاملة.

فيما يتعلق بطول العمر ، فإن الجهد المثالي للشحن هو 3.92V / cell. يعتقد خبراء البطارية أن هذه العتبة تقضي على جميع الإجهادات المتعلقة بالجهد ؛ قد لا تحقق مكاسب أخرى ولكن تحفز الأعراض الأخرى. يلخص الجدول 4 السعة كدالة لمستويات الرسوم. (يتم تقدير جميع القيم ؛ قد تنحرف خلايا الطاقة ذات عتبة الجهد العالي.)

التجربة: تشير جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد إلى أن استخدام مستوى شحن مخفض بنسبة 50٪ من تقنية SOC يزيد من العمر الافتراضي لبطارية Li-ion للسيارة بنسبة 44-130٪.

تشحن معظم أجهزة الشحن للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والكاميرات الرقمية الليثيوم إلى 4.20 فولت / خلية. يتيح هذا السعة القصوى ، لأن المستهلك لا يريد أقل من وقت التشغيل الأمثل. الصناعة ، من ناحية أخرى ، أكثر قلقا بشأن طول العمر ويمكن أن تختار عتبات الفولتية المنخفضة. الأقمار الصناعية والمركبات الكهربائية هي أمثلة على ذلك.

لأسباب تتعلق بالسلامة ، لا يمكن أن يتجاوز عدد أيونات الليثيوم 4.20 فولت / خلية. (بعض NMC هي الاستثناء.) في حين أن الجهد العالي يعزز السعة ، يتجاوز الجهد الذي يقصر من عمر الخدمة ويقوض السلامة. يوضح الشكل 5 عدد الدورات كدالة لجهد الشحن. في 4.35V ، يتم قطع عدد دورة Li-ion العادي إلى النصف.

إلى جانب اختيار عتبات الفولطية الأكثر ملاءمة لتطبيق معين ، لا ينبغي أن تظل أيونات الليثيوم العادية في سقف الجهد العالي 4.20 فولت / خلية لفترة ممتدة. يقوم شاحن Li-ion بإيقاف تشغيل تيار الشحن ويعود جهد البطارية إلى مستوى أكثر طبيعية. هذا مثل الاسترخاء العضلات بعد ممارسة التمارين الرياضية.

يوضح الشكل 6 اختبارات الإجهاد الديناميكي (DST) التي تعكس فقد السعة عند تدوير Li-ion عند مختلف عروض نطاق الشحن والتفريغ. يحدث أكبر فقدان للقدرة عند تفريغ أيون الليثيوم المشحونة بالكامل إلى نسبة مئوية من المادة SoC (أسود) ؛ تكون الخسارة أعلى إذا تم تفريغها بالكامل. يوفر ركوب الدراجات بين 85 و 25 في المائة (أخضر) مدة خدمة أطول من الشحن إلى 100 في المائة والتفريغ إلى 50 في المائة (الأزرق الداكن). يتم تحقيق أصغر فقدان للقدرة من خلال شحن ليثيوم أيون إلى 75 في المائة والتفريغ إلى 65 في المائة. هذا ، ومع ذلك ، لا تستخدم البطارية بالكامل. ويقال الفولتية العالية والتعرض لدرجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور البطارية أسرع من ركوب الدراجات في ظل ظروف طبيعية.

^{مجاملة: ResearchGate - نمذجة تدهور بطارية ليثيوم أيون لتقييم حياة الخلية.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

توجد تناقضات بين الجدول 2 والشكل 6 حول عدد الدورات. لا تتوفر أي تفسيرات واضحة بخلاف افتراض وجود اختلافات في جودة البطارية وطرق الاختبار. قد تلعب الفوارق بين المستهلك منخفض التكلفة والدرجات الصناعية المتينة دورًا أيضًا. سوف ينخفض ​​استبقاء القدرة بشكل أسرع في درجات الحرارة المرتفعة من 20 درجة مئوية.

توفر الدورة الكاملة فقط الطاقة المحددة للبطارية. مع خلية الطاقة الحديثة ، هذا هو 250Wh / كغ ، ولكن سيتم اختراق الحياة دورة. وكل ما هو طولي ، فإن المدى المتوسط ​​الذي يطيل الحياة من 85 إلى 25 في المائة يقلل من الطاقة إلى 60 في المائة ، وهذا يعادل تعديل كثافة الطاقة المحددة من 250Wh / kg إلى 150Wh / kg. الهواتف المحمولة هي السلع الاستهلاكية التي تستخدم الطاقة الكاملة للبطارية. عادة ما تقيد الأجهزة الصناعية ، مثل EV ، الشحنة إلى 85٪ وتفريغها إلى 25٪ لإطالة عمر البطارية.

يستنتج الشكل 7 البيانات من الشكل 6 لتوسيع عمر دورة الأيونات المتوقعة من خلال استخدام برنامج استقراء يفترض انحلال خطي لسعة البطارية مع تدوير تدريجي. إذا كان هذا صحيحًا ، فستتحول بطارية Li-ion بالدوران داخل 75٪ -25٪ SoC (أزرق) إلى قدرة 74٪ بعد 14000 دورة. إذا تم شحن هذه البطارية إلى 85٪ بنفس عمق التفريغ (الأخضر) ، فإن القدرة ستنخفض إلى 64٪ عند 14000 دورة ، وبتكلفة 100٪ مع نفس DoD (أسود) ، سوف تنخفض السعة إلى 48٪ . ولأسباب غير معروفة ، يميل متوسط ​​العمر المتوقع إلى أن يكون أقل من مثيلته في المحاكاة.

يتم شحن بطاريات Li-ion إلى ثلاثة مستويات مختلفة لـ SoC ونمط دورة الحياة. يعمل تحديد نطاق الشحن على إطالة عمر البطارية ولكنه يقلل من الطاقة التي يتم توصيلها. هذا ينعكس في زيادة الوزن وارتفاع التكلفة الأولية.
^{مع إذن للاستخدام. الاستيفاء / الاستقراء بواسطة OriginLab.}

^{غالباً ما يحدد مصنعو البطاريات عمر دورة البطارية مع 80 DoD. هذا أمر عملي لأن البطاريات يجب أن تحتفظ ببعض الاحتياطي قبل الشحن في ظل الاستخدام العادي. (راجع BU-501: أساسيات التفريغ ، "ما الذي يشكل دورة تفريغ") يختلف عدد دورة DST (اختبار الإجهاد الديناميكي) مع نوع البطارية ووقت الشحن وبروتوكول التحميل ودرجة حرارة التشغيل. غالباً ما تحصل الاختبارات المعملية على أرقام غير قابلة للتحقيق في هذا المجال.}

ماذا يمكن أن يفعل المستخدم؟

الظروف البيئية ، وليس ركوب الدراجات لوحدها ، تحكم طول عمر بطاريات أيونات الليثيوم. أسوأ وضع هو الحفاظ على بطارية مشحونة بالكامل في درجات حرارة مرتفعة. لا تموت حزم البطارية فجأة ، لكن وقت التشغيل يتقلص تدريجياً مع تلاشي السعة.

انخفاض الفولتية تهمة إطالة عمر البطارية والمركبات الكهربائية والأقمار الصناعية الاستفادة من هذا. يمكن أيضًا وضع أحكام مشابهة لأجهزة المستهلك ، ولكن نادرًا ما يتم تقديمها ؛ التقادم المخطط يعتني بهذا.

يمكن تمديد بطارية الكمبيوتر المحمول عن طريق خفض جهد الشحن عند توصيله بشبكة التيار المتردد. لجعل هذه الميزة سهلة الاستخدام ، يجب أن يتميز الجهاز بوضع "Long Life" الذي يحافظ على البطارية في 4.05V / cell ، ويقدم SoC بنسبة 80 بالمائة تقريبًا. قبل ساعة واحدة من السفر ، يطلب المستخدم وضع "السعة الكاملة" لتحويل الرسوم إلى 4.20 فولت / خلية.

يتم طرح السؤال ، "هل يجب قطع اتصال الكمبيوتر المحمول من شبكة الطاقة في حالة عدم الاستخدام؟" في الظروف العادية ، يجب ألا يكون ذلك ضروريًا لأن الشحن يتوقف عند امتلاء بطارية Li-ion. يتم تطبيق رسوم الشحن فقط عندما ينخفض ​​جهد البطارية إلى مستوى معين. معظم المستخدمين لا يزيلون طاقة التيار المتردد ، وهذه الممارسة آمنة.

تشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة أكثر برودة من الموديلات القديمة والحرائق المبلغ عنها أقل. حافظ على تدفق الهواء دون عائق عند تشغيل الأجهزة الكهربائية مع تبريد الهواء على السرير أو الوسادة. يعمل الكمبيوتر المحمول الرائع على إطالة عمر البطارية وحماية المكونات الداخلية. خلايا الطاقة ، التي تحتوي على معظم المنتجات الاستهلاكية ، يجب أن تُفرض بسعر 1C أو أقل. تجنب استخدام أجهزة الشحن فائقة السرعة التي تدعي أنها تتحمل شحنًا كاملاً في أقل من ساعة.