طول عمر واقعی باتری‌های لیتیوم چقدر است؟ راستی آشکار شد

باتری‌های لیتیوم-یون نوعی باتری هستند که از فلز لیتیوم یا آلیاژهای لیتیوم به عنوان ماده الکترود منفی و از محلول الکترولیت غیرآبی استفاده می‌کنند. اولین باتری فلزی لیتیوم در سال ۱۹۱۲ توسط گیلبرت ان. لوئیس پیشنهاد و مطالعه شد. در دهه ۱۹۷۰، ام.اس. ویتینگهام پیشنهاد و تحقیق در مورد باتری‌های لیتیوم-یون را آغاز کرد. به دلیل خواص شیمیایی بسیار واکنش‌پذیر فلز لیتیوم، فرآوری، ذخیره‌سازی و استفاده از آن نیازمند کنترل‌های محیطی بسیار سخت‌گیرانه است. بنابراین، باتری‌های لیتیوم-یون برای مدت طولانی به طور گسترده استفاده نمی‌شدند. با توسعه علم و فناوری، باتری‌های لیتیوم-یون اکنون به استاندارد اصلی تبدیل شده‌اند.

باتری‌های لیتیوم را می‌توان به طور کلی به دو دسته باتری‌های لیتیوم فلزی و باتری‌های لیتیوم یونی تقسیم کرد. باتری‌های لیتیوم یونی حاوی لیتیوم فلزی نیستند و قابل شارژ هستند. نسل پنجم باتری‌های قابل شارژ، یعنی باتری‌های لیتیوم فلزی، در سال ۱۹۹۶ توسعه یافتند. این باتری‌ها در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی، از ایمنی بهتر، ظرفیت ویژه بالاتر، نرخ خود تخلیه کمتر و نسبت قیمت به عملکرد برتری دارند. به دلیل الزامات فناوری بالا، تنها شرکت‌های چند کشور در حال حاضر قادر به تولید باتری‌های لیتیوم فلزی هستند.

آیا باتری‌های لیتیوم یونی فقط می‌توانند ۵۰۰ بار شارژ و تخلیه شوند؟

احتمالاً بیشتر مصرف‌کنندگان شنیده‌اند که عمر باتری‌های لیتیوم "۵۰۰ سیکل" است، یعنی ۵۰۰ بار شارژ و تخلیه. پس از این تعداد، باتری «مرده» در نظر گرفته می‌شود. بسیاری از افراد برای افزایش عمر باتری، فقط زمانی آن را شارژ می‌کنند که کاملاً تخلیه شده باشد. اما آیا این کار واقعاً عمر باتری را افزایش می‌دهد؟

❌ پاسخ خیر است. عمر باتری لیتیوم «۵۰۰ بار» است، که اشاره به تعداد دفعات شارژ آن ندارد، بلکه به یک چرخه کامل شارژ و دشارژ اشاره می‌کند.

یک چرخه شارژ به فرآیند تخلیه باتری از حالت کاملاً شارژ شده به حالت خالی و سپس دوباره شارژ کامل آن گفته می‌شود، که این همان شارژ کردن یک بار نیست. به عنوان مثال، اگر باتری لیتیومی در روز اول تا نصف ظرفیت خود مصرف شود و سپس کاملاً شارژ گردد و در روز دوم نیز همین اتفاق رخ دهد، این تنها معادل یک چرخه شارژ است، نه دو چرخه. بنابراین، معمولاً چندین بار شارژ کردن لازم است تا یک چرخه کامل انجام شود. هر بار که یک چرخه شارژ کامل می‌شود، ظرفیت باتری کمی کاهش می‌یابد. با این حال این کاهش بسیار نезانی است؛ باتری‌های با کیفیت پس از تعداد زیادی چرخه شارژ حدود ۸۰٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند و بسیاری از محصولات مبتنی بر باتری لیتیوم-یون پس از دو یا سه سال همچنان به طور عادی کار می‌کنند. البته، باتری‌های لیتیوم-یون زمانی که به پایان عمر خود رسیدند، باید تعویض شوند.

چرخه‌های 500 تعیین‌شده به این معناست که سازنده در عمق تخلیه ثابت (مثلاً 80٪) به طور تقریبی به 625 چرخه شارژ مجدد رسیده است که معادل 500 چرخه شارژ می‌شود. (80٪ * 625 = 500) (عواملی مانند کاهش ظرفیت باتری لیتیومی نادیده گرفته شده است).

با این حال، به دلیل عوامل مختلف در زندگی واقعی، به ویژه اینکه عمق تخلیه در حین شارژ همواره ثابت نیست، "500 چرخه شارژ" تنها می‌تواند به عنوان یک مرجع برای عمر باتری مورد استفاده قرار گیرد.

بیان صحیح این است: طول عمر یک باتری لیتیومی به تعداد چرخه‌های کامل‌شده شارژ مرتبط است، اما ارتباط مستقیمی با تعداد دفعات شارژ کردن ندارد.

به سادگی بگوییم، برای مثال اگر یک باتری لیتیومی در روز اول تنها نصف ظرفیت خود را استفاده کند و سپس به‌طور کامل شارژ شود، و همین کار در روز دوم نیز تکرار شود، این تنها به‌عنوان یک چرخه شارژ محاسبه می‌شود، نه دو چرخه. بنابراین معمولاً چندین بار شارژ کردن لازم است تا یک چرخه کامل شود. هر زمان که یک چرخه شارژ کامل می‌شود، ظرفیت باتری کمی کاهش می‌یابد. با این حال این کاهش بسیار نезار است؛ باتری‌های با کیفیت بالا پس از تعداد زیادی چرخه شارژ، همچنان ۸۰٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند. همین دلیلی است که بسیاری از محصولات مبتنی بر باتری لیتیومیونی پس از دو یا سه سال همچنان به‌صورت عادی کار می‌کنند. البته در نهایت باتری‌های لیتیومیونی باید پس از رسیدن به انتهای عمر خود تعویض شوند.

طول عمر یک باتری لیتیوم معمولاً ۳۰۰ تا ۵۰۰ سیکل شارژ است. فرض کنید تخلیه کامل یک باره Q واحد برق تأمین کند و کاهش ظرفیت پس از هر سیکل شارژ نادیده گرفته شود، بنابراین یک باتری لیتیوم در طول عمر خود می‌تواند مجموعاً ۳۰۰Q تا ۵۰۰Q واحد برق تأمین یا جبران کند. بنابراین، اگر پس از استفاده از نصف ظرفیت باتری هر بار شارژ کنید، می‌توان آن را ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ بار شارژ کرد؛ اگر پس از استفاده از یک‌سوم ظرفیت باتری هر بار شارژ کنید، می‌توان آن را ۹۰۰ تا ۱۵۰۰ بار شارژ کرد. و به همین ترتیب. اگر شارژ به صورت تصادفی انجام شود، تعداد دفعات شارژ مشخص نیست. به طور خلاصه، صرف‌نظر از نحوه شارژ، مقدار کل برقی که جبران می‌شود ثابت و برابر با ۳۰۰Q تا ۵۰۰Q است. بنابراین می‌توان به این صورت نیز به آن نگاه کرد: طول عمر یک باتری لیتیوم به مقدار کل برقی که می‌تواند شارژ شود بستگی دارد، نه به تعداد سیکل‌های شارژ. تفاوت زیادی بین تخلیه عمیق/شارژ عمیق و تخلیه سطحی/شارژ سطحی از نظر تأثیر بر طول عمر باتری لیتیوم وجود ندارد.

در واقع، تخلیه سطحی و شارژ سطحی برای باتری‌های لیتیومی مفیدتر است. تخلیه و شارژ عمیق فقط زمانی که ماژول قدرت محصول در حال کالیبره کردن باتری لیتیومی است، مورد نیاز می‌باشد. بنابراین، محصولاتی که از باتری لیتیومی استفاده می‌کنند نیازی نیست که خیلی دقیق در مورد فرآیند شارژ باشند؛ اولویت باید راحتی باشد. هر وقت خواستید آن‌ها را شارژ کنید و نگران تأثیر آن بر عمر باتری نباشید.

اگر باتری‌های لیتیومی در محیط‌هایی با دمای بالاتر از دمای مشخص‌شده کار (بالاتر از 35°C) استفاده شوند، ظرفیت باتری به‌طور مداوم کاهش خواهد یافت، بدین معنا که زمان تغذیه برق باتری به اندازه معمول طولانی نخواهد بود. شارژ کردن دستگاه‌ها در چنین دماهایی آسیب بیشتری به باتری وارد خواهد کرد. حتی نگهداری باتری‌ها در محیط‌های نسبتاً گرم نیز به‌طور اجتناب‌ناپذیری باعث آسیب جزئی به کیفیت آن‌ها می‌شود. بنابراین، حفظ دمای مناسب کار یک روش خوب برای افزایش عمر باتری‌های لیتیومی است.

اگر باتری‌های لیتیومی را در محیط‌های با دمای پایین، یعنی زیر ۴ درجه سانتی‌گراد استفاده کنید، متوجه خواهید شد که عمر باتری کاهش می‌یابد و برخی از باتری‌های لیتیومی اصلی در تلفن‌های همراه ممکن است در دمای پایین اصلاً شارژ نشوند. اما نگران نباشید، این تنها یک وضعیت موقت است. برخلاف استفاده در محیط‌های با دمای بالا، به محض اینکه دما افزایش یابد، مولکول‌های داخل باتری گرم شده و بلافاصله ظرفیت قبلی خود را بازیابی می‌کنند.

برای به حداکثر رساندن عملکرد باتری لیتیوم-یونی، باید به طور مکرر از آن استفاده کرد تا الکترون‌های داخل آن دائماً در جریان باشند. اگر اغلب از باتری لیتیومی خود استفاده نمی‌کنید، به یاد داشته باشید که هر ماه یک چرخه شارژ کامل را انجام دهید و یک کالیبراسیون شارژ انجام دهید، یعنی یک تخلیه عمیق دنبال‌شده توسط یک شارژ عمیق.

اصطلاح صحیح «چرخه شارژ-دشارژ» است، نه «تعداد شارژها». یک چرخه به مدت زمانی اشاره دارد که باتری از حالت کاملاً شارژ شده به حالت کاملاً تخلیه شده می‌رسد. اگر باتری شما کاملاً شارژ شود، ده‌هم ظرفیت آن مصرف شود و سپس دوباره کاملاً شارژ شود، این عمل معادل یک‌دهم چرخه است. برای تکمیل یک چرخه کامل، باید ۱۰ بار این فرآیند شارژ و دشارژ را انجام دهید. به همین ترتیب، اگر از شارژ کامل شروع کنید، نیمی از ظرفیت را مصرف کنید، دوباره کاملاً شارژ کنید، سپس دوباره نیمی از ظرفیت را مصرف کنید و دوباره کاملاً شارژ کنید، این نیز معادل یک چرخه است — در حالی که دو بار شارژ کرده‌اید. بنابراین، یک چرخه تنها به «مقدار کل انرژی الکتریکی تخلیه شده از باتری» بستگی دارد و ارتباط مستقیمی با «تعداد دفعات شارژ» ندارد.

علاوه بر این، این تعداد اسمی چرخه‌های شارژ-دشارژ به این معنا نیست که پس از اتمام آن، باتری دیگر قابل استفاده نیست. بلکه این بدان معناست که پس از تعداد مشخصی چرخه، توانایی باتری در ذخیره انرژی الکتریکی تا حد معینی کاهش خواهد یافت.

به عنوان مثال، یک باتری لیتیوم خاص دارای عمر چرخه شارژ و دشارژ نامی است که می‌گوید «پس از ۵۰۰ چرخه، ظرفیت آن کمتر از ۶۰٪ ظرفیت نامی آن نباشد».

به عبارت دیگر، پس از ۵۰۰ چرخه، این باتری تنها حدود ۶۰٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کند. عملکرد آن تا حدی کاهش یافته است. همین مطلب، خلاصه موضوع است.

باتری‌های لیتیومی دارای محدودیت ثابتی روی تعداد چرخه‌های شارژ نیستند. باتری‌های ساخت تولیدکنندگان معتبر عموماً می‌توانند حداقل ۵۰۰ چرخه شارژ و دشارژ را تحمل کنند در حالی که بیش از ۸۰٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند، بدین معنا که می‌توانند به طور معمول تا دو سال عمر کنند. معمولاً باتری‌های تلفن همراه پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ، دچار کاهش قابل توجهی در عمر باتری می‌شوند.

روش‌های نگهداری باتری تلفن همراه:

1. تنها زمانی از باتری استفاده کنید که پس از هر بار کامل شارژ شدن، تعداد چرخه‌های شارژ را کاهش دهید و عمر باتری را افزایش دهید.
2. نیازی به تخلیه کامل باتری نیست؛ معمولاً زمانی که سطح شارژ به زیر ۱۰٪ برسد، باید آن را شارژ کرد.
3. از شارژر اصلی برای شارژ استفاده کنید؛ از شارژر عمومی استفاده نکنید.
4. در حین شارژ کردن از تلفن خود استفاده نکنید.
5. از شارژ بیش از حد خودداری کنید؛ پس از اتمام شارژ باتری، شارژ را متوقف کنید.

بله، با توجه به نتایج آزمایش‌ها، عمر باتری‌های لیتیومی با افزایش تعداد سیکل‌های شارژ کاهش می‌یابد. به طور کلی، باتری‌های لیتیومی تنها تحمل ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ سیکل شارژ را دارند.

سیکل به معنای استفاده است. ما از باتری‌ها استفاده می‌کنیم و به مدت زمان مصرف علاقه‌مندیم. برای سنجش عملکرد یک باتری قابل شارژ، تعریفی برای عمر سیکلی ارائه شده است. تجربیات واقعی کاربران بسیار متفاوت است و آزمون‌های انجام‌شده در شرایط مختلف قابل مقایسه نیستند. برای امکان مقایسه، باید تعریف عمر سیکلی استاندارد شود.

استاندارد ملی شرایط و الزامات آزمون زیر را برای عمر چرخه باتری‌های لیتیومی مشخص می‌کند: در دمای محیط 20℃±5℃، با جریان 1C شارژ کنید. هنگامی که ولتاژ ترمینال باتری به ولتاژ حد شارژ 4.2V برسد، به شارژ ولتاژ ثابت تغییر دهید تا جریان شارژ کمتر یا مساوی 1/20C شود. سپس شارژ را متوقف کرده و باتری را به مدت 0.5 تا 1 ساعت استراحت دهید. سپس با جریان 1C تا ولتاژ پایانی 2.75V تخلیه کنید. پس از اتمام تخلیه، قبل از شروع چرخه شارژ-تخلیه بعدی، باتری را به مدت 0.5 تا 1 ساعت دیگر استراحت دهید. عمر چرخه زمانی به پایان می‌رسد که دو زمان تخلیه متوالی کمتر از 36 دقیقه باشند. تعداد چرخه‌ها باید بیشتر از 300 باشد.

توضیح استاندارد ملی:

1. این تعریف مشخص می‌کند که آزمون عمر چرخه با استفاده از روش شارژ عمیق-تخلیه عمیق انجام می‌شود ;
2. مقررات ذکر می‌کنند که بر اساس این مدل، عمر چرخه باتری‌های لیتیوم پس از ≥300 چرخه باید همچنان بیش از 60٪ از ظرفیت خود را حفظ کند .

با این حال، رژیم‌های چرخه‌ای مختلف منجر به تعداد چرخه‌های بسیار متفاوتی می‌شوند. به عنوان مثال، با حفظ سایر شرایط بدون تغییر، فقط با تغییر ولتاژ ثابت از 4.2 ولت به 4.1 ولت برای یک مدل باتری در آزمون عمر چرخه، دیگر باتری به طور کامل شارژ نمی‌شود و نتایج نهایی آزمون افزایش تقریبی 60 درصدی در عمر چرخه را نشان می‌دهد. بنابراین، اگر ولتاژ قطع به 3.9 ولت افزایش یابد، تعداد چرخه‌ها باید چندین برابر شود.

درک این موضوع که هر چرخه شارژ و دشارژ عمر باتری را کاهش می‌دهد، مهم است. یک چرخه شارژ باتری لیتیوم به فرآیند تخلیه کامل باتری لیتیوم از حالت کاملاً شارژ شده به کاملاً تخلیه شده و سپس دوباره شارژ کامل آن تعریف می‌شود. این مانند شارژ کردن یک بار نیست. علاوه بر این، هنگام صحبت درباره تعداد سیکل، باید شرایطی را که سیکل در آن انجام می‌شود در نظر گرفت. صحبت درباره تعداد سیکل بدون در نظر گرفتن این شرایط بی‌معناست، زیرا تعداد سیکل وسیله‌ای برای ارزیابی عمر باتری است، نه هدف نهایی!