كم تدوم البطاريات الليثيومية بالفعل؟ الحقيقة المخفية

بطاريات الليثيوم أيون هي نوع من البطاريات تستخدم الليثيوم المعدني أو سبائك الليثيوم كمادة للقطب السالب، ومع محلول إلكتروليتي غير مائي. تم اقتراح أول بطارية ليثيوم معدني ودراستها من قبل جيلبرت ن. لويس في عام 1912. وفي السبعينيات، اقترح وبدأ M.S. ويتنجهام البحث في بطاريات الليثيوم أيون. ونظرًا للخصائص الكيميائية شديدة التفاعل للليثيوم المعدني، فإن معالجته وتخزينه واستخدامه تتطلب تحكمًا بيئيًا صارمًا جدًا. ولذلك، لم تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع لفترة طويلة. ومع تطور العلوم والتكنولوجيا، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون الآن السائدة.

يمكن تصنيف بطاريات الليثيوم بشكل عام إلى فئتين رئيسيتين: بطاريات الليثيوم المعدنية وبطاريات الليثيوم أيون. لا تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على الليثيوم المعدني، وهي قابلة لإعادة الشحن. تم تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية، الجيل الخامس من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، في عام 1996. وتتفوق هذه البطاريات من حيث السلامة والقدرة النوعية ومعدل التفريغ الذاتي ونسبة الأداء إلى السعر مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون. ونظرًا لمتطلباتها التكنولوجية العالية، فإن هناك فقط شركات في عدد قليل من الدول هي التي تنتج حاليًا بطاريات الليثيوم المعدنية.

هل يمكن لبطاريات الليثيوم أيون أن تُشحن وتُفرّغ 500 مرة فقط؟

ربما سمع معظم المستهلكين أن عمر بطاريات الليثيوم هو "500 دورة"، أي 500 دورة شحن وتفريغ. وبعد ذلك، تعتبر البطارية "منتهية الصلاحية". يحاول كثير من الناس إطالة عمر البطارية عن طريق شحنها فقط عندما تنفد بالكامل. ولكن هل يؤدي هذا حقًا إلى إطالة عمر البطارية؟

❌ الجواب لا. عمر بطارية الليثيوم هو "500 مرة"، ولا يشير هذا الرقم إلى عدد مرات الشحن، بل إلى دورة شحن وتفريغ واحدة.

دورة الشحن تعني عملية تفريغ البطارية من الشحن الكامل إلى الفراغ ثم العودة إلى الشحن الكامل مرة أخرى، ولا تُعتبر نفس الشيء مثل الشحن لمرة واحدة. على سبيل المثال، إذا تم استخدام بطارية ليثيوم حتى نصف سعتها في اليوم الأول ثم شُحنت بالكامل، وتم نفس الشيء في اليوم الثاني، فإن ذلك يُحتسب فقط كدورة شحن واحدة وليس دورتين. لذلك، عادةً ما يستغرق إكمال دورة واحدة عدة عمليات شحن. مع كل دورة شحن مكتملة، تنخفض سعة البطارية قليلاً. لكن هذا الانخفاض ضئيل جدًا؛ فتحتفظ البطاريات عالية الجودة بنحو 80٪ من سعتها الأصلية بعد العديد من دورات الشحن، ولا تزال العديد من المنتجات التي تعمل بالبطاريات الليثيوم-أيون تعمل بشكل طبيعي بعد عامين أو ثلاثة أعوام. بطبيعة الحال، يجب استبدال البطاريات الليثيوم-أيون عند انتهاء عمرها الافتراضي.

تشير الدورات الـ500 المذكورة إلى قيام الشركة المصنعة بتحقيق ما يقارب 625 دورة شحن قابلة لإعادة الشحن عند عمق تفريغ ثابت (مثلاً 80٪)، مما يصل إلى 500 دورة شحن. (80٪ × 625 = 500) (مع تجاهل عوامل مثل انخفاض سعة البطارية الليثيومية).

ومع ذلك، وبسبب عوامل متعددة في الحياة الواقعية، خصوصاً أن عمق التفريغ أثناء الشحن ليس ثابتاً، فإن مصطلح "500 دورة شحن" يمكن استخدامه فقط كمرجع لعمر البطارية.

العبارة الصحيحة هي: عمر البطارية الليثيومية مرتبط بعدد دورات الشحن المنجزة، ولكن ليس مرتبطاً بشكل مباشر بعدد مرات الشحن.

ببساطة، على سبيل المثال، إذا تم استخدام بطارية الليثيوم فقط بنصف سعتها في اليوم الأول ثم شُحنت بالكامل، وتم نفس الشيء في اليوم الثاني، فإن هذا يُحتسب دورة شحن واحدة فقط، وليس دورتين. لذلك، عادةً ما يستغرق إكمال دورة واحدة عدة دورات شحن. وكل مرة تُكمل فيها دورة شحن، تنخفض سعة البطارية قليلاً. ولكن الانخفاض يكون ضئيلاً جدًا؛ فستظل البطاريات عالية الجودة تحتفظ بنسبة 80٪ من سعتها الأصلية بعد العديد من دورات الشحن. ولهذا السبب لا تزال العديد من المنتجات التي تعمل ببطاريات الليثيوم أيون تعمل بشكل طبيعي بعد عامين أو ثلاثة أعوام. بطبيعة الحال، ستحتاج بطاريات الليثيوم أيون في النهاية إلى الاستبدال عندما تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي.

عمر بطارية الليثيوم عمومًا ما بين 300 إلى 500 دورة شحن. بافتراض أن التفريغ الكامل الواحد يوفر وحدات كهرباء مقدارها Q، وبتجاهل انخفاض السعة بعد كل دورة شحن، يمكن لبطارية الليثيوم توفير أو إعادة شحن إجمالي 300Q إلى 500Q وحدة كهرباء طوال عمرها الافتراضي. وبالتالي، إذا قمت بالشحن بعد استخدام نصف سعة البطارية في كل مرة، يمكن شحنها من 600 إلى 1000 مرة؛ وإذا قمت بالشحن بعد استخدام ثلث سعة البطارية في كل مرة، يمكن شحنها من 900 إلى 1500 مرة. وهكذا. أما إذا تم الشحن عشوائيًا، فإن عدد مرات الشحن يكون غير محدد. باختصار، بغض النظر عن طريقة الشحن، فإن الكمية الإجمالية للكهرباء التي تُعاد ثابتة وتتراوح بين 300Q و500Q. لذلك، يمكننا أيضًا فهم الأمر بهذه الطريقة: عمر بطارية الليثيوم مرتبط بالكمية الإجمالية للكهرباء التي يمكن شحنها فيها، وليس بعدد دورات الشحن. الفرق ضئيل بين التفريغ العميق/الشحن العميق والتفريغ الجزئي/الشحن الجزئي من حيث تأثيرهما على عمر بطارية الليثيوم.

في الواقع، فإن التفريغ السطحي والشحن السطحي أكثر فائدة لبطاريات الليثيوم. إن التفريغ العميق والشحن العميق يكونان ضروريين فقط عند معايرة وحدة الطاقة للمنتج للبطارية الليثيومية. لذلك، لا حاجة إلى الانتباه الشديد للعملية في المنتجات التي تعمل بالبطاريات الليثيومية؛ بل ينبغي إعطاء الأولوية للراحة. يمكن شحنها في أي وقت ترغب فيه دون القلق من التأثير على عمرها الافتراضي.

إذا استخدمت بطاريات الليثيوم في بيئات تتجاوز درجة الحرارة التشغيلية المحددة (أكثر من 35°م)، فستنخفض سعة البطارية باستمرار، ما يعني أن مدة تشغيل البطارية لن تكون طويلة كما هو معتاد. وسيؤدي شحن الأجهزة عند هذه الدرجات الحرارية إلى إلحاق ضرر أكبر بالبطارية. حتى تخزين البطاريات في بيئات دافئة نسبيًا سيتسبب حتمًا في بعض الضرر لجودتها. لذلك، يُعد الحفاظ على درجة حرارة تشغيل مناسبة طريقة جيدة لتمديد عمر بطاريات الليثيوم.

إذا استخدمت بطاريات الليثيوم في بيئات منخفضة الحرارة، أي أقل من 4°م، فستلاحظ أيضًا تقليل عمر البطارية، وقد لا تشحن بعض بطاريات الليثيوم الأصلية في الهواتف المحمولة حتى في البيئات شديدة البرودة. ولكن لا داعي للقلق الشديد، فهذه حالة مؤقتة فقط. على عكس الاستخدام في البيئات ذات الحرارة العالية، بمجرد ارتفاع درجة الحرارة، تسخن الجزيئات داخل البطارية وتعود فورًا إلى سعتها السابقة.

لتحقيق أقصى أداء لبطارية الليثيوم أيون، يجب استخدامها بشكل متكرر للحفاظ على تدفق الإلكترونات داخلها باستمرار. إذا لم تستخدم بطارية الليثيوم كثيرًا، فتذكر أن تقوم بإكمال دورة شحن كاملة كل شهر وأجرِ معايرة للشحن، أي تفريغًا عميقًا يليه شحن عميق.

المصطلح الصحيح هو "دورة الشحن والتفريغ"، وليس "عدد مرات الشحن". تشير الدورة إلى الفترة التي تمر فيها البطارية من حالة الشحن الكامل إلى التفريغ التام. فإذا كانت بطاريتك مشحونة بالكامل، واستُخدمت حتى عُشر سعتها، ثم شُحنت بالكامل مرة أخرى، فهذا يعادل عُشر دورة. وتحتاج إلى شحن وتفريغ البطارية 10 مرات لإكمال دورة واحدة. وبالمثل، إذا بدأت بشحن كامل، واستخدمت نصف السعة، ثم شحنت بالكامل مرة أخرى، ثم استخدمتها مرة أخرى حتى النصف، ثم شحنتها مجددًا، فإن ذلك يُعد أيضًا دورة واحدة—لقد قمت بالشحن مرتين. وبالتالي، تعتمد الدورة فقط على "إجمالي كمية الكهرباء المفرغة من البطارية"، وليس لها علاقة مباشرة بـ"عدد مرات الشحن".

علاوةً على ذلك، لا يعني هذا العدد الاسمي لدورات الشحن والتفريغ أن البطارية تصبح غير قابلة للاستخدام بمجرد استنفادها. بل يعني أنه بعد هذا العدد من الدورات، ستقل قدرة البطارية على تخزين الطاقة الكهربائية إلى مستوى معين.

على سبيل المثال، تحتوي بطارية ليثيوم معينة على دورة شحن وتفريغ افتراضية تبلغ "لا تقل عن 60٪ من سعتها الاسمية بعد 500 دورة".

بعبارة أخرى، بعد 500 دورة، يمكن لهذه البطارية أن تحتفظ بنحو 60٪ فقط من السعة التي كانت لديها عند إنتاجها. وقد انخفض أداؤها إلى حدٍ ما. هذا هو المضمون الأساسي.

ليست هناك حدود ثابتة لعدد دورات الشحن للبطاريات الليثيومية. يمكن للبطاريات من الشركات المصنعة ذات السمعة الجيدة عادةً أن تتحمل ما لا يقل عن 500 دورة شحن وتفريغ مع الحفاظ على أكثر من 80٪ من سعتها الأولية، ما يعني أنها قد تدوم عامين بشحنة واحدة. وعادةً ما تعاني بطاريات الهواتف المحمولة من تدهور كبير في عمر البطارية بعد 1000 دورة شحن.

طرق صيانة بطارية الهاتف المحمول:

1. استخدم البطارية فقط عندما تكون مشحونة بالكامل في كل مرة لتقليل عدد دورات الشحن وتمديد عمر البطارية.
2. ليس من الضروري تفريغ البطارية بالكامل؛ عادةً ما تحتاج إلى الشحن عندما تنخفض نسبة الشحن إلى أقل من 10%.
3. استخدم الشاحن الأصلي للشحن؛ ولا تستخدم شاحنًا عامًا.
4. لا تستخدم هاتفك أثناء قيامه بالشحن.
5. لا تفرط في الشحن؛ أوقف الشحن بمجرد اكتمال شحن البطارية.

نعم، وفقًا للنتائج التجريبية، فإن عمر بطاريات الليثيوم يقل مع زيادة عدد دورات الشحن. بشكل عام، يمكن لبطاريات الليثيوم أن تتحمل فقط من 2000 إلى 3000 دورة شحن.

يشير المصطلح 'الدورة' إلى الاستخدام. نحن نستخدم البطاريات ويهمنا مدة الاستخدام. ولقياس أداء البطارية القابلة لإعادة الشحن، تم وضع تعريف لعمر الدورة. تختلف تجارب المستخدمين الفعلية بشكل كبير، ولا يمكن مقارنة الاختبارات التي تُجرى في ظروف مختلفة. ولتمكين المقارنة، يجب توحيد تعريف عمر الدورة.

يحدد المعيار الوطني شروط الاختبار والمطالب التالية لعمر الدورة للبطاريات الليثيومية: في درجة حرارة محيطة تبلغ 20℃±5℃، اشحن بالتيار 1C. وعندما يصل جهد طرفي البطارية إلى حد الشحن الأقصى البالغ 4.2V، انتقل إلى الشحن الثابت الجهد حتى يصبح تيار الشحن أقل من أو يساوي 1/20C. ثم أوقف الشحن واترك البطارية في حالة راحة لمدة 0.5 ساعة إلى 1 ساعة. بعد ذلك قم بتفريغها بتيار 1C حتى جهد النهاية 2.75V. وبعد اكتمال التفريغ، اترك البطارية في حالة راحة لمدة 0.5 ساعة إلى 1 ساعة قبل بدء دورة الشحن والتفريغ التالية. ويُعتبر عمر الدورة قد انتهى عندما تكون هناك فترتا تفريغ متتاليتان كل منهما أقل من 36 دقيقة. ويجب أن يكون عدد الدورات أكبر من 300.

شرح المعيار الوطني:

1. تحدد هذه التعريفات أن اختبار عمر الدورة يتم باستخدام طريقة الشحن العميق والتفريغ العميق ;
2. تنص اللوائح على أنه وفقًا لهذا النموذج، يجب أن تحتفظ بطاريات الليثيوم بسعة تزيد عن 60٪ من سعتها الأصلية بعد ≥300 دورة .

ومع ذلك، فإن نُظم الدورات المختلفة تؤدي إلى أعداد مختلفة جدًا من الدورات. على سبيل المثال، مع إبقاء جميع الظروف الأخرى دون تغيير، فإن تغيير جهد الثبات من 4.2 فولت إلى 4.1 فولت لنفس طراز البطارية أثناء اختبار عمر الدورة يعني أن البطارية لم تعد مشحونة بالكامل، وتُظهر نتائج الاختبار النهائية زيادة تقارب 60٪ في عمر الدورة. وبالتالي، إذا تم رفع جهد القطع إلى 3.9 فولت، فيجب أن تتزايد عدد الدورات عدة مرات.

من المهم فهم الادعاء القائل بأن كل دورة شحن وتفريغ تقلل من عمر البطارية. يُعرّف دورة شحن بطارية الليثيوم على أنها العملية التي تمر بها بطارية الليثيوم من حالة الشحن الكامل إلى الفراغ التام ثم العودة للشحن الكامل مرة أخرى. هذا ليس هو نفسه الشحن مرة واحدة. علاوة على ذلك، عند مناقشة عدد الدورات، يجب أخذ الظروف التي تُجرى فيها الدورة في الاعتبار. إن الحديث عن عدد الدورات دون أخذ هذه الظروف بعين الاعتبار أمرٌ لا معنى له، لأن عدد الدورات وسيلة لتقييم عمر البطارية، وليس الهدف النهائي!