كم تدوم بطاريات الليثيوم؟

بطارية الليثيوم: "العمر الافتراضي" الذي كنا نظن أننا نعرفه

مع التطور السريع للعلم والتكنولوجيا, بطاريات الليثيوم قد اندمجت بعمق في جميع جوانب حياتنا، بدءًا من الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة المستخدمة في الحياة اليومية إلى السيارات الكهربائية التي نعتمد عليها في التنقل. ومع ذلك، هناك الكثير من سوء الفهم حول العمر التشغيلي لبطاريات الليثيوم، ومن بين هذه المفاهيم الشائعة مقولة "عمر بطاريات الليثيوم 500 مرة شحن وتفريغ". يعتقد الكثير من الناس أن بطاريات الليثيوم يمكن شحنها وتفريغها 500 مرة فقط. وبمجرد الوصول إلى هذا الرقم، تموت البطارية ويجب استبدالها. واستناداً إلى هذا الفهم، ينتظر بعض المستخدمين حتى نفاد البطارية تقريباً قبل الشحن من أجل إطالة مدة استخدام بطاريات الليثيوم.

لكن هذه العبارة خاطئة في الواقع. فما يسمى بـ "500 عملية شحن وتفريغ" لا يشير ببساطة إلى عدد عمليات الشحن، بل إلى دورة شحن وتفريغ كاملة. فدورة الشحن والتفريغ تعني أن كل طاقة البطارية يتم استخدامها من ممتلئة إلى فارغة، ثم يتم شحنها من فارغة إلى ممتلئة، وهو ما لا يعادل الشحن مرة واحدة. على سبيل المثال، في اليوم الأول، يتم استخدام نصف طاقة البطارية في اليوم الأول ثم يتم شحنها بالكامل؛ وفي اليوم الثاني، يتم استخدام نصف الطاقة وشحنها بالكامل مرة أخرى. وبهذه الطريقة، تعتبر عمليتا الشحن معًا دورة شحن وتفريغ. لذلك، في الحياة الواقعية، قد يستغرق الأمر عدة شحنات لإكمال دورة شحن وتفريغ كاملة. وعلاوة على ذلك، بعد إكمال 500 دورة شحن وتفريغ كاملة، فإن بطارية ليثيوم ليست غير قابلة للاستخدام تماماً، لكن قدرتها ستنخفض. وبصفة عامة، لا يزال بإمكان البطاريات عالية الجودة الاحتفاظ بـ 80% من سعتها الأصلية بعد دورات شحن متعددة، ولا يزال من الممكن استخدام العديد من المنتجات التي تعمل بالليثيوم بشكل طبيعي بعد مرور سنتين أو ثلاث سنوات.

من الواضح أن فهمنا السابق لعمر بطاريات الليثيوم كان بسيطًا جدًا ومن جانب واحد. لا يؤثر سوء الفهم هذا على عاداتنا اليومية في استخدام معدات بطاريات الليثيوم فحسب، بل يجعلنا أيضًا نحيد عن الأداء الحقيقي لبطاريات الليثيوم. إذًا، كيف يجب قياس عمر بطاريات الليثيوم بشكل صحيح؟ وما هي العوامل التي ستؤثر عليه؟ بعد ذلك، دعونا نتعمق في سر عمر بطاريات الليثيوم.

ما هو "عمر" بطاريات الليثيوم؟

قبل الخوض في عمر بطاريات الليثيوم، نحتاج إلى توضيح سؤال رئيسي: ما هو "عمر" بطاريات الليثيوم؟ لا يقاس ببساطة بالوقت مثل حياة الإنسان. في عالم بطاريات الليثيوم، فإن عمرها له بُعد قياس فريد من نوعه.

عمر الدورة: النظر في عدد دورات الشحن والتفريغ

يعد عمر الدورة أحد المؤشرات المهمة لقياس عمر بطاريات الليثيوم. وهو يشير إلى عدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن أن تتحملها بطارية الليثيوم قبل أن تتحلل قدرتها إلى قيمة محددة معينة في ظل نظام شحن وتفريغ معين. ببساطة، يتم احتساب العملية الكاملة من الشحن الكامل إلى التفريغ الكامل ثم الشحن الكامل مرة أخرى كدورة واحدة. بعد خضوع بطارية الليثيوم لعدة دورات من هذا القبيل، ستنخفض سعتها تدريجيًا. عندما تنخفض السعة إلى 80% من السعة الأولية، عادةً ما تعتبر البطارية قد وصلت إلى نهاية دورة حياتها.

تختلف أعمار دورات بطاريات الليثيوم باختلاف أنواعها. فعلى سبيل المثال، يبلغ عدد دورات بطارية الليثيوم الثلاثية الشائعة حوالي 800-1200 دورة نظرياً، في حين أن عدد دورات بطاريات فوسفات حديد الليثيوم عالية نسبياً، حيث تصل إلى حوالي 2000-2500 دورة. على سبيل المثال، بطارية الليثيوم الثلاثية 18650 التي تستخدمها شركة Tesla في بعض طرازاتها، في ظل ظروف المختبر، بعد حوالي 1000 دورة، تنخفض سعة البطارية إلى 80% من السعة الأولية. وفقًا للبيانات الرسمية، يمكن أن يصل عمر دورة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم التي تستخدمها BYD في بعض الطرازات إلى أكثر من 2000 دورة في ظل الاستخدام العادي، مما يعني أنه في ظل الظروف المثالية، تتحلل سعتها إلى 80% بعد المزيد من دورات الشحن والتفريغ.

تقويم الحياة: النظر في البعد الزمني

بالإضافة إلى عمر الدورة، يعتبر عمر التقويم أيضًا عاملًا رئيسيًا في قياس عمر بطاريات الليثيوم. وهو يشير إلى الفترة من تاريخ الإنتاج حتى نهاية عمر البطارية، وعادةً ما يقاس بالسنوات، ويغطي روابط مختلفة مثل الرفوف والتقادم ودرجة الحرارة العالية والمنخفضة والتداول ومحاكاة حالة العمل. حتى إذا كانت بطارية الليثيوم خاملة ولم يتم شحنها وتفريغها بشكل متكرر، فإن المواد الكيميائية الموجودة بداخلها ستخضع لتفاعلات كيميائية بطيئة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض أداء البطارية تدريجيًا. هذا هو عمر التقويم في العمل.

بشكل عام، العمر الافتراضي لبطاريات الليثيوم المستخدمة في السيارات هو 5-10 سنوات. إذا أخذنا سيارة كهربائية معينة كمثال، حتى لو كان مالكها يقطع أميالاً أقل كل عام والسيارة متوقفة معظم الوقت، فقد تتحلل سعة البطارية إلى حوالي 701 تيرابايت 6 تيرابايت بعد 6-7 سنوات من الاستخدام. وهذا يشبه تماماً العمر الافتراضي للطعام. حتى لو لم يتم فتحها، ستتأثر جودتها بعد فترة زمنية معينة. تميل العديد من شركات السيارات إلى التأكيد على دورة حياة البطارية في دعايتها، ولكنها تتحفظ على عمر التقويم. وذلك لأن الإعلان عن العمر التقويمي قد يكون له تأثير معين على مبيعات سيارات الطاقة الجديدة. ومع ذلك، من فترة الضمان لحزمة البطارية، لا يزال بإمكاننا استنتاج عمرها التقويمي تقريبًا. على سبيل المثال، يشير التزام الضمان لمدة 5 سنوات أو أكثر من 100,000 كيلومتر الذي تقدمه بعض شركات السيارات إلى أن البطارية يمكن أن تحافظ على أداء مستقر نسبيًا ضمن هذا النطاق الزمني.

تم الكشف عن بيانات حقيقية عن عمر بطارية الليثيوم

مقارنة بين عدد دورات أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم المختلفة

إن عائلة بطاريات الليثيوم ضخمة، والأنواع المختلفة من بطاريات الليثيوم لها اختلافات واضحة في عدد الدورات. ولإظهار هذا الاختلاف بشكل أكثر بديهية، نستخدم جدولاً للمقارنة:

كما يتضح من الجدول، فإن أداء بطارية تيتانات حديد الليثيوم وبطارية فوسفات حديد الليثيوم أفضل من حيث عدد الدورات، ومن بينها يمكن أن يصل عدد دورات بطارية تيتانات حديد الليثيوم إلى أكثر من 10000 مرة، مما يجعلها تتمتع بمزايا كبيرة في بعض المجالات ذات المتطلبات العالية للغاية لعمر دورة البطارية، مثل تخزين الطاقة في الشبكة الذكية، والنقل بالسكك الحديدية، وما إلى ذلك. كما يمكن أن يصل عدد دورات بطارية فوسفات الحديد الليثيوم إلى 2000 - 10000 مرة، والتي تستخدم على نطاق واسع في السيارات الكهربائية ومحطات تخزين الطاقة وغيرها من السيناريوهات. أما عدد دورات بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم وبطاريات أكسيد الليثيوم المنغنيز فهو صغير نسبيًا. عادةً ما تحتوي بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم على 300-500 دورة فقط، مما يحد من نطاق تطبيقها إلى حد ما. في الوقت الحاضر، يتم استخدامها بشكل أساسي في بعض الأجهزة الإلكترونية الصغيرة ذات المتطلبات الصارمة على حجم البطارية ووزنها ومتطلبات منخفضة نسبيًا على عمر الدورة.

أداء الحياة في الاستخدام الفعلي

إن العدد النظري للدورات مهم بالتأكيد، ولكن أداء عمر بطاريات الليثيوم في الاستخدام الفعلي هو ما يهمنا أكثر. في الاستخدام الفعلي، يتأثر العمر الافتراضي لبطاريات الليثيوم بمجموعة من العوامل، وغالباً ما يكون هناك اختلاف معين عن العدد النظري للدورات.

إذا أخذنا علامة تجارية معينة من السيارات الكهربائية كمثال، يمكن أن يصل عدد دورات بطارية الليثيوم الثلاثية التي تحملها إلى حوالي 1500 مرة في بيئة مختبرية وفقًا لعملية اختبار الشحن والتفريغ القياسية. ومع ذلك، في الاستخدام الفعلي، عندما يتم قيادة السيارة بشكل أساسي على الطرقات الحضرية، وتبدأ وتتوقف بشكل متكرر، وغالباً ما تستخدم وظيفة الشحن السريع، بعد حوالي 800-1000 دورة شحن وتفريغ تتحلل سعة البطارية إلى 80% من السعة الأولية. ويرجع ذلك إلى أن التشغيل والتوقف المتكرر سيؤدي إلى تغير عمق تفريغ البطارية باستمرار، كما أن الحرارة العالية المتولدة أثناء الشحن السريع ستسرع من التفاعل الكيميائي داخل البطارية، مما يؤدي إلى تقادم البطارية وبالتالي تقصير عمر البطارية.

على العكس من ذلك، عندما تكون السيارة تسير بشكل أساسي على الطريق السريع، وتكون ظروف القيادة مستقرة نسبيًا، ويتم استخدام الشحن السريع بشكل أقل والشحن البطيء بشكل أكبر، فإن سعة البطارية ستنخفض إلى 80% بعد 1200-1300 دورة شحن وتفريغ. يمكن ملاحظة أن عوامل مثل عادات القيادة وطرق الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة المحيطة في سيناريوهات الاستخدام الفعلي سيكون لها تأثير كبير على العمر الفعلي لبطاريات الليثيوم.

تحليل متعمق: العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمر بطاريات الليثيوم

عدد دورات الشحن والتفريغ

مع زيادة عدد دورات الشحن والتفريغ، تتحلل سعة بطاريات الليثيوم تدريجيًا وتزداد المقاومة الداخلية تدريجيًا. وهذا أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمر بطاريات الليثيوم. في ظل ظروف الشحن والتفريغ العادية، سوف تتحلل سعة بطاريات الليثيوم بحوالي 0.1%-0.2% لكل دورة. عندما يصل عدد الدورات إلى مستوى معين، سوف يتسارع تضاؤل السعة، مما يجعل البطارية غير قادرة على تلبية متطلبات الاستخدام العادي للجهاز.

يُظهر الشكل بوضوح أنه في مرحلة الدورة الأولية، تتحلل سعة البطارية ببطء ويكون المنحنى مسطحًا نسبيًا؛ ومع زيادة عدد الدورات، تتحلل سعة البطارية بشكل أسرع ويزداد ميل المنحنى تدريجيًا. عندما يصل عدد الدورات إلى حوالي 1,000 دورة، تكون سعة البطارية قد تضاءلت إلى حوالي 801 تيرابايت و6 تيرابايت من السعة الأولية، مما يشير إلى أن البطارية تقترب من نهاية عمرها الافتراضي.

التأثير الكبير لدرجات الحرارة

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على عمر بطاريات الليثيوم. وسواء كانت البيئة ذات درجة حرارة عالية أو منخفضة، سيكون لها تأثير سلبي على أداء بطاريات الليثيوم. عند استخدام بطاريات الليثيوم في بيئة ذات درجة حرارة عالية (مثل 45 درجة مئوية وما فوق)، سيتم تسريع معدل اضمحلال السعة بشكل كبير وسيتم تقصير عمر الدورة بشكل كبير. في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة، يتسارع معدل التفاعل الكيميائي داخل البطارية، مما يؤدي إلى انحلال مادة القطب الموجب وتحلل الإلكتروليت وعدم استقرار الطبقة البينية (SEI)، وبالتالي تسريع تقادم البطارية. وقد أظهرت الدراسات أنه عند درجة حرارة 45 درجة مئوية، قد يكون عمر دورة بطاريات الليثيوم عند درجة حرارة 45 درجة مئوية أقصر من درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية).

في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة (مثل 0 درجة مئوية أو أقل)، ستنخفض كفاءة الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم بشكل كبير، وستزداد المقاومة الداخلية للبطارية، وستنخفض السعة المتاحة. ستؤدي درجة الحرارة المنخفضة إلى إبطاء هجرة أيونات الليثيوم داخل البطارية، مما يجعل من الصعب على التفاعل الكيميائي للبطارية أن يستمر بشكل طبيعي، مما يؤثر على أداء البطارية. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى -10 درجة مئوية، قد تنخفض السعة المتاحة لبطارية الليثيوم إلى حوالي 70% في درجة حرارة الغرفة، مما يعني أنه في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، ستنخفض قدرة تحمل معدات بطارية الليثيوم بشكل كبير.

معدل الشحن والتفريغ

كما أن للشحن والتفريغ السريع تأثير سلبي على عمر بطاريات الليثيوم. وبصفة عامة، يتم التعبير عن معدل شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم بوحدة C، ويعني 1C أن البطارية يتم شحنها أو تفريغها بالكامل خلال ساعة واحدة. عندما يكون معدل الشحن والتفريغ سريعًا جدًا، كما هو الحال عند استخدام وضع شحن سريع أكبر من 1C، سيتم توليد كمية كبيرة من الحرارة داخل البطارية، مما يسرّع من تقادم البطارية. عندما يتم شحن بطارية الليثيوم وتفريغها بمعدل 2C، سيتم تقصير عمر دورتها بمقدار 20% - 30% مقارنة بالشحن والتفريغ بمعدل 0.5C. ويرجع ذلك إلى أن الشحن والتفريغ السريع سيؤدي إلى تكثيف ظاهرة الاستقطاب داخل البطارية، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية، وبالتالي التأثير على أداء البطارية وعمرها.

عوامل أخرى

وبالإضافة إلى العوامل الرئيسية المذكورة أعلاه، فإن عوامل مثل جودة البطارية نفسها، وطرق صيانة الشحن، واهتزازات الضغط تؤثر أيضًا على عمر بطاريات الليثيوم. تعتبر بطاريات الليثيوم عالية الجودة أكثر أمانًا من حيث نقاء المواد وعملية التصنيع، وغالبًا ما يكون عمرها الافتراضي أطول من عمر البطاريات ذات الجودة الرديئة. كما يمكن أن تساعد طرق الشحن والصيانة الصحيحة، مثل تجنب الشحن الزائد والتفريغ الزائد، والشحن والتفريغ العميق المنتظم، في إطالة عمر بطاريات الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، في بعض سيناريوهات التطبيقات الخاصة، مثل المطبات أثناء قيادة السيارات الكهربائية واصطدام الأجهزة الإلكترونية، قد تتسبب اهتزازات الضغط في تلف الهيكل الداخلي للبطارية، مما يؤثر على أداء البطارية وعمرها.

كيفية إطالة عمر بطاريات الليثيوم: دليل عملي يعتمد على البيانات

بعد فهم العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمر بطاريات الليثيوم، يمكننا اتخاذ تدابير مستهدفة لإطالة عمرها وجعل بطاريات الليثيوم تخدمنا بشكل أفضل.

التحكم في عدد الدورات

حاول تقليل دورات الشحن والتفريغ غير الضرورية وتجنب استنفاد البطارية بشكل متكرر قبل الشحن. يمكنك الشحن عندما يتبقى حوالي 20% - 30% لتجنب التفريغ العميق. على سبيل المثال، بالنسبة لمستخدمي الهواتف الذكية، عندما تظهر شاشة الطاقة 25%، ابدأ الشحن بدلاً من الانتظار حتى استنفاد الطاقة وإيقاف التشغيل تلقائيًا قبل الشحن. هذا يمكن أن يقلل بشكل فعال من عدد دورات الشحن والتفريغ وبالتالي إطالة عمر البطارية. في الوقت نفسه، تجنب الشحن الزائد. عندما تكون البطارية ممتلئة، يجب فصل الشاحن في الوقت المناسب لمنع الشحن الزائد على المدى الطويل من إتلاف البطارية. يمكن أن يؤدي الحفاظ على شحن البطارية في نطاق 40% - 80% لفترة طويلة إلى تقليل عدد دورات البطارية بشكل كبير، وبالتالي إطالة عمر البطارية والسماح للبطارية بالحفاظ على أداء جيد بعد سنوات عديدة من الاستخدام.

الحفاظ على درجة حرارة مناسبة

عند استخدام معدات بطاريات الليثيوم وتخزينها، حاول الحفاظ على درجة حرارة مناسبة وتجنب استخدامها أو تخزينها على المدى الطويل في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة أو منخفضة. إذا كنت بحاجة إلى استخدامها في بيئة ذات درجة حرارة عالية، مثل استخدام سيارة كهربائية في الهواء الطلق في فصل الصيف الحار، يجب أن تحاول تقليل وقت الاستخدام، أو اتخاذ تدابير التبريد، مثل إيقاف السيارة في مكان بارد عند ركنها، وتجنب أشعة الشمس المباشرة. في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة، كما هو الحال في الشتاء البارد، حاول استخدام معدات بطارية الليثيوم في بيئة دافئة، أو قم بتسخين البطارية قبل الاستخدام. يمكن أن يؤدي التحكم في درجة حرارة تشغيل بطاريات الليثيوم عند حوالي 25 درجة مئوية إلى إطالة عمر دورة البطارية بمقدار 30% - 50%.

التحكم في معدل الشحن والتفريغ

حاول تجنب استخدام خاصية الشحن والتفريغ السريع، واختر معدات الشحن وطريقة الشحن المناسبة، واشحن بمعدل شحن وتفريغ أقل. بالنسبة للمركبات الكهربائية، إذا لم تكن حالة طارئة، حاول اختيار طريقة شحن بطيئة، مثل استخدام محطة شحن منزلية للشحن الليلي. عند خفض معدل الشحن والتفريغ من 2C إلى 0.5C، يمكن إطالة عمر دورة بطاريات الليثيوم بمقدار 20% - 30%. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية الشحن، انتبه إلى تغيرات درجة حرارة البطارية. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فيجب تعليق الشحن ومواصلة الشحن بعد انخفاض درجة الحرارة.

الصيانة الدورية

بالنسبة لبعض معدات بطاريات الليثيوم الكبيرة، مثل السيارات الكهربائية ومحطات طاقة تخزين الطاقة، فإن الصيانة الدورية ضرورية للغاية. يمكنك التحقق بانتظام من مظهر البطارية لمعرفة ما إذا كانت هناك حالات غير طبيعية مثل الانتفاخ والتسرب؛ استخدم معدات اختبار احترافية للكشف عن سعة البطارية والمقاومة الداخلية وغيرها من المعلمات لاكتشاف مشاكل البطارية على الفور. في الوقت نفسه، يجب أيضًا فحص نظام إدارة البطارية (BMS) وتحديثه بانتظام للتأكد من أنه يمكن أن يعمل بشكل صحيح ويحمي البطارية بشكل فعال. على سبيل المثال، يوصي دليل المستخدم لعلامة تجارية معينة من السيارات الكهربائية بضرورة فحص البطارية وصيانتها بشكل كامل كل 10000 إلى 20000 كيلومتر، بحيث يمكن اكتشاف المشاكل المحتملة للبطارية وحلها في الوقت المناسب وإطالة عمر البطارية.