كيفية تقييم بطارية: الدليل النهائي لمقاييس أداء الليثيوم أيون

تُستخدم البطاريات الليثيوم أيونية بشكل متزايد بفضل أدائها الممتاز. يتطلب تقييم أداء البطارية النظر الشامل من عدة أبعاد، مع الأخذ في الاعتبار المؤشرات التالية كأهم المؤشرات الأساسية:

(1) السعة. تُعد السعة من الخصائص الأساسية للبطارية. وتشير إلى كمية الكهرباء التي يمكن للبطارية تفريغها. وتشير سعة البطارية إلى كمية الكهرباء التي يمكن الحصول عليها من البطارية تحت ظروف معينة لشحنها وتفريغها (نظام الشحن والتفريغ، تيار الشحن والتفريغ، جهد القطع للشحن والتفريغ، ودرجة حرارة المحيط). وهي عبارة عن تكامل التيار على مر الزمن ويتم التعبير عنها عادةً بوحدة الأمبير-ساعة (Ah) أو الملي أمبير-ساعة (mAh). ملي أمبير-ساعة تُستخدم بشكل شائع في بطاريات الهواتف المحمولة، و آه تُستخدم بشكل شائع في بطاريات السيارات الكهربائية. وتعكس بشكل مباشر كمية الكهرباء التي يمكن للبطارية تخزينها، وتؤثر بشكل مباشر على التيار الكهربائي الأقصى الذي يمكن للبطارية التعامل معه ومدة التشغيل.

(2) كثافة الطاقة. يرتبط هذا بمقدار الطاقة التي يمكن لبطارية تخزينها لكل وحدة كتلة أو حجم. وعادةً ما يتم التعبير عنها على شكل كثافة طاقة كتلية ( واط-ساعة لكل كيلوغرام , واط.ساعة/كغ) أو كثافة طاقة حجمية ( واط-ساعة لكل لتر , واط.ساعة/لتر) . تعني الكثافة العالية للطاقة أن البطارية قادرة على تخزين طاقة أكبر بنفس الوزن أو الحجم.

(3) خصائص التفريغ والمقاومة الداخلية. تشير خصائص تفريغ البطارية إلى استقرار جهد التشغيل، وارتفاع منصة الجهد، وأداء البطارية في التفريغ بتيار عالٍ ضمن نظام تفريغ معين. وهي تدل على قدرة البطارية على تحمل الأحمال. تشمل المقاومة الداخلية للبطارية المقاومة الأومية والمقاومة الكهروكيميائية. وعند تفريغ البطارية بتيار عالٍ، يكون تأثير المقاومة الداخلية على خصائص التفريغ واضحاً بشكل خاص.

(4) الخصائص الحرارية ومدى درجة حرارة التشغيل. إن بيئة العمل وظروف الاستخدام للمعدات الكهربائية تتطلب أن تتمتع البطارية بأداء جيد ضمن نطاق حراري معين. إن نطاق درجة الحرارة التشغيلية الحالية للبطاريات الليثيومية عمومًا بين -30 ~ +55 ℃.

الأداء عند درجات الحرارة العالية: عادةً ما تُسرع درجات الحرارة المرتفعة التفاعلات الكيميائية وقد تزيد من الأداء على المدى القصير، لكنها يمكن أن تُسرع بشكل كبير من عملية الشيخوخة، وتُقصر العمر الافتراضي، وتزيد من مخاطر السلامة (الانفجار الحراري).

الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة: عند درجات الحرارة المنخفضة، تنخفض قابلية توصيل الإلكتروليت ويتباطأ معدل التفاعلات الكيميائية، مما يؤدي إلى زيادة حادة في المقاومة الداخلية وانخفاض كبير في السعة والطاقة المتاحة (مثل إيقاف تشغيل الهواتف المحمولة في الأجواء الباردة وانخفاض مدى المركبات الكهربائية).

(5) أداء التخزين. بعد فترة من التخزين، قد تتغير أداء البطارية بسبب عوامل معينة، مما يؤدي إلى تفريغ ذاتي للبطارية وتسرب الإلكتروليت وقصر الدائرة في البطارية وغيرها.

6) أداء الدورة. يُشير عمر الدورة إلى عدد الدورات التي يمكن أن تخضع لها البطارية الثانوية بعد الشحن والتفريغ وفقًا لجدول زمني محدد حتى يسوء أداؤها إلى مستوى معين (عادةً 80% من السعة ). ويؤثر هذا بشكل رئيسي على متانة البطارية ومدة خدمتها. كلما كان عمر الدورة أطول، كانت البطارية أكثر متانة، وأقل حاجة للاستبدال، وتقل تكاليف الملكية الإجمالية. أثناء استخدام البطارية، يمكن أن تؤدي عوامل مثل الشحن والتفريغ العميق، والشحن والتفريغ بسرعة عالية، وارتفاع وانخفاض درجات الحرارة، والشحن الزائد والتفريغ الزائد بشكل كبير إلى تقصير عمر البطارية الدوراني. /درجات الحرارة المنخفضة، والشحن الزائد والتفريغ الزائد، والعوامل الأخرى يمكن أن تُقصر بشكل كبير عمر البطارية الدوراني.

(7) أداء معدل الشحن والتفريغ. ويصف هذا بشكل رئيسي نسبة تيار شحن وتفريغ البطارية إلى سعتها. 1C يمثل التيار المطلوب لتفريغ بطارية مشحونة بالكامل خلال ساعة واحدة (التيار (A) = السعة (Ah) ). وتكمن أهميته في قياس قدرة البطارية على تحمل تيارات الشحن والتفريغ العالية. على سبيل المثال، تيار تفريغ 5AH البطارية:

0.5C التفريغ = 2.5A هو تيار التفريغ.

تفريغ 2C = 10A هو تيار التفريغ.

0.5C شحن = 2.5A تيار الشحن.

إن قدرة البطارية على الشحن والتفريغ بمعدلات عالية هي الأساس لتحقيق الشحن السريع والوفاء بالمتطلبات ذات القدرة العالية، لكن الشحن والتفريغ بمعدلات عالية تقلل عادةً من السعة المتوفرة فعليًا وتؤثر على عمر البطارية.

(8) الكفاءة. كفاءة كولومبية : نسبة الشحنة المُطلقة أثناء التفريغ ( آه ) إلى الشحنة المُدخلة أثناء الشحن ( آه ). ويعكس هذا فقدان الشحنة الناتج عن التفاعلات الجانبية (مثل تكوين الغاز) أثناء عملية الشحن والتفريغ، حيث تكون القيمة المثالية هي 100% . كفاءة الطاقة : نسبة الطاقة المُطلقة أثناء التفريغ ( WH ) إلى الطاقة المُدخلة أثناء الشحن ( WH ). وتجمع هذه الكفاءة بين الكفاءة الكولومية وكفاءة الجهد (وهو الفرق في جهد الشحن والتفريغ الناتج عن المقاومة الداخلية)، حيث تكون القيمة المثالية هي 100% .

كلما ارتفعت الكفاءة، قل هدر الطاقة، وصار الشحن أكثر اقتصادية، وقلت الحرارة الناتجة.

(9) أداء السلامة. يرتبط هذا بشكل رئيسي بأداء البطارية من حيث السلامة أثناء الاستخدام العادي وظروف الإساءة في الاستخدام. وتشمل ظروف الإساءة في الاستخدام بشكل رئيسي الإفراط في الشحن، والإفراط في التفريغ، والدوائر القصيرة، والسقوط، والتسخين، والثقب، والضغط، والتأثيرات، والاهتزاز، والغمر في مياه البحر، والضغط المنخفض، ودرجة الحرارة العالية، وغيرها. وتعد جودة الأداء ضد ظروف الإساءة شرطًا أساسيًا لتحديد ما إذا كانت البطارية قابلة للاستخدام الواسع أم لا. ولن تُقبل البطاريات التي لا تتمتع بمستوى كافٍ من السلامة في السوق.

عند تقييم البطاريات ومقارنتها، من المهم ملاحظة أن هذه المؤشرات تقاس وفقًا لظروف اختبار محددة (درجة الحرارة، ومعدل الشحن/التفريغ، ونهاية الجهد، وحالة الشيخوخة، إلخ). ومن غير المجدي تحليل قيم المؤشرات دون أخذ هذه ظروف الاختبار بعين الاعتبار. وفي التطبيقات العملية، يكون الأداء العام للبطارية في كثير من الأحيان نتيجة للتوافق والموازنة بين هذه المؤشرات.