العلم وراء فقدان سعة بطارية الليثيوم

تواجه فقدان السعة في بطاريات الليثيوم أيون بسبب التغيرات الكيميائية الداخلية أثناء عملية شيخوخة البطارية. تظهر النماذج الكهروكيميائية نمو طبقة SEIيؤدي طلاء الليثيوم وتدهور الأقطاب الكهربائية إلى انخفاض سعة البطارية وتقصير عمرها. كما تؤثر العوامل الخارجية على أداء البطارية وعمرها الإجمالي، مما يجعل إدارة البطارية أمرًا بالغ الأهمية.

الوجبات السريعة الرئيسية

• تنخفض سعة بطارية الليثيوم بشكل أساسي بسبب التغيرات الداخلية مثل نمو طبقة SEI، وطلاء الليثيوم، وتآكل القطب، مما يقلل من قدرة البطارية على الاحتفاظ بالشحنة.

• يمكنك إطالة عمر البطارية عن طريق التحكم في درجة الحرارة واستخدام طرق الشحن المناسبة وتخزين البطاريات بشحن جزئي في بيئات باردة.

• يساعد نظام إدارة البطارية القوي على مراقبة صحة البطارية ومنع الشحن الزائد وتحسين الاستخدام لإبطاء فقدان السعة وتحسين الموثوقية.

الجزء 1: ما الذي يسبب فقدان سعة بطاريات الليثيوم؟

يُعد فهم أسباب فقدان سعة بطاريات الليثيوم أمرًا بالغ الأهمية لتحسين الأداء وإطالة عمر الخدمة في التطبيقات الحيوية للأعمال. يحدث انخفاض في سعة بطاريات أيونات الليثيوم نتيجةً لمجموعة من التغيرات الكيميائية الداخلية والضغوط التشغيلية. دعونا نستعرض الآليات الرئيسية التي تُحرك هذه العملية.

1.1 بطاريات الليثيوم أيون: حركة الأيونات

عند استخدام بطارية ليثيوم-أيون، تنتقل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود أثناء دورات الشحن والتفريغ. تُمكّن هذه الحركة من تخزين الطاقة وإطلاقها. مع مرور الوقت، يُؤدي تكرار الدورات إلى تغييرات تدريجية في البنية الداخلية للبطارية. ستلاحظ أنه مع زيادة عدد الدورات، تبدأ البطارية بفقدان سعتها، مما يؤدي إلى عدم كفاية سعتها لتطبيقك.

• وتؤكد الدراسات الإحصائية هذا الاتجاه:

  • يُظهر تحليل معامل ارتباط سبيرمان وجود ارتباط قوي جدًا (SCC المطلق > 0.99) بين المؤشرات الصحية وسعة بطارية الليثيوم أيون، مما يؤكد تلاشي السعة.

  • تظهر الاختبارات التجريبية للدورة على خلايا بطارية الليثيوم NMC التجارية عند 25 درجة مئوية انخفاضًا واضحًا في السعة مع زيادة الدورات، وفي النهاية تصل إلى عتبة الفشل (80٪ من السعة الاسمية).

  • وتتوافق هذه النتائج مع النماذج التنبؤية والملاحظات الواقعية، مما يسلط الضوء على حتمية تلاشي السعة في بطاريات الليثيوم أيون.

1.2 نمو طبقة SEI

تتشكل طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) على سطح الأنود خلال الدورات القليلة الأولى. ومع استمرار استخدام البطارية، تزداد سماكة هذه الطبقة وتتطور. يُعد نمو طبقة SEI أحد الحلول الرئيسية لسبب فقدان سعة بطاريات الليثيوم.

• يكشف التصوير متعدد المقاييس والتحليل الكيميائي أن طبقة SEI تنمو من فيلم نانومتري رقيق إلى بنية بحجم ميكرون، وخاصة حول مجالات السيليكون في الأنودات المتقدمة.

• يؤدي هذا النمو إلى احتجاز أيونات الليثيوم، مما يجعلها غير متاحة لتخزين الطاقة ويؤدي إلى فقدان القدرة.

• تظهر الخريطة العنصرية زيادة في الليثيوم والأكسجين والفلور في SEI، مما يشير إلى التغيرات الكيميائية المستمرة التي تؤدي إلى تدهور الأداء.

• يوضح النمذجة الكهروكيميائية أن نمو SEI يؤدي إلى استنزاف تركيز أيونات الليثيوم ويقلل من معدلات الليثيوم، مما يربط بشكل مباشر بين تطور SEI وتلاشي السعة.

• يشير تحليل البنية الدقيقة القائم على التعلم العميق إلى فقدان ما يصل إلى 50% من جزء حجم السيليكون في المجالات النشطة بعد 300 دورة، مع احتجاز الليثيوم بالقرب من نوى السيليكون المعدلة.

تلميح: يمكنك إبطاء نمو SEI من خلال تحسين بروتوكولات الشحن والحفاظ على درجات حرارة معتدلة، مما يساعد على تقليل سعة البطارية غير الكافية في حزمك.

1.3 طلاء الليثيوم

يحدث طلاء الليثيوم عندما يترسب الليثيوم المعدني على سطح الأنود، خاصةً أثناء الشحن السريع أو في درجات حرارة منخفضة. تُعدّ هذه العملية عاملًا رئيسيًا في فقدان سعة بطاريات الليثيوم.

• يُسبب طلاء الليثيوم بهتانًا قابلًا للعكس وغير قابل للعكس في السعة. يُلحق الطلاء غير القابل للعكس الضرر بطبقة SEI، ويستهلك الليثيوم النشط، ويزيد من المقاومة الداخلية.

• دراسات تجريبية باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة تأكيد أن الليثيوم المعدني يمكن أن يصبح معزولًا كهربائيًا، مما يؤدي إلى فقدان دائم لليثيوم النشط ومزيد من تلاشي السعة.

• يؤدي تكوين طبقة SEI سميكة ومسامية بسبب الطلاء إلى تثبيط تدفق الأيونات، مما يقلل من أداء البطارية ويسرع من تدهورها.

• يمكن أن يؤدي تراكم منتجات طلاء الليثيوم إلى إثارة أحداث فقدان القدرة المفاجئة، المعروفة باسم تأثير نقطة الركبة.

ملحوظة: تجنب الشحن بمعدلات عالية أو درجات حرارة منخفضة لتقليل طلاء الليثيوم وإطالة عمر مجموعات بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بك.

1.4 تدهور الأقطاب الكهربائية

يُعد تدهور الأقطاب الكهربائية عاملاً رئيسياً آخر يُسبب فقدان سعة بطاريات الليثيوم. فمع مرور الوقت، تتحلل المواد الفعالة في الأقطاب الكهربائية، أو تذوب، أو تفقد اتصالها بمُجمِّع التيار.

• يستخدم التحليل الكمي تباين فروق السعة عند معدلات كربون مختلفة للكشف عن نقطة الركبة في تدهور البطارية، والتمييز بين الأوضاع المحددة ذاتيًا والأوضاع المتسارعة.

• تتيح لك هذه الطريقة تقييم الحالة الصحية للخلايا الفردية وتدعم القرارات المتعلقة بإعادة استخدام الخلايا أو إعادة تدويرها.

• تتنبأ النماذج التحليلية بقدرة المعدل وتحسنها استنادًا إلى سمك القطب ومعدل التفريغ، مما يوفر رؤى لتصميم البطارية على مستوى الخلية وتحسين العبوة.

1.5 التفاعلات الجانبية

تُسهم التفاعلات الجانبية داخل الخلية أيضًا في فقدان سعة بطاريات الليثيوم. وتشمل هذه التفاعلات تحلل الإلكتروليت، وتكوين الغازات، وذوبان المعادن الانتقالية من الكاثود.

• تستهلك هذه التفاعلات الليثيوم النشط والإلكتروليت، مما يؤدي إلى عدم كفاية سعة البطارية وزيادة المقاومة الداخلية.

• يساهم فقدان مخزون الليثيوم (LLI)، وفقدان المواد النشطة (LAM)، وفقدان الإلكتروليت (LE) في تلاشي القدرة.

• تلعب أنظمة إدارة البطاريات (BMS) دورًا مهمًا في مراقبة هذه العمليات وتحسين ظروف العمل لإبطاء تدهور البطارية. تعرف على المزيد حول تشغيل BMS ومكوناته.

رؤية الصناعة: مراجعة شاملة في الطبيعة يُسلِّط الضوء على أن تدهور البطارية ينشأ من تفاعلات داخلية معقدة، ويتأثر بالتصميم والإنتاج وظروف الاستخدام. ينبغي مراعاة هذه العوامل طوال دورة حياة البطارية، بدءًا من تصميم الخلية ووصولًا إلى تطبيقات العمر الإضافي.

الأدلة الإحصائية والبيئية

يمكنك رؤية تأثير الظروف البيئية على أسباب فقدان سعة مجموعات بطاريات الليثيوم في الجدول التالي:

يجب عليك إدارة درجة الحرارة ومعدلات الشحن/التفريغ وظروف التخزين لتقليل تلاشي السعة وتجنب عدم كفاية سعة البطارية في مجموعات بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بك.

الجزء الثاني: العوامل التي تُسرّع فقدان سعة بطارية الليثيوم

2.1 تأثيرات درجة الحرارة

يجب عليك التحكم في درجة الحرارة للحفاظ على عمر بطارية أيون الليثيوم. تُسرّع درجات الحرارة المرتفعة من عملية طلاء الليثيوم ونمو طبقة SEI، مما يؤدي إلى تلاشي سريع للسعة. على سبيل المثال، تُظهر الأبحاث أن عند 40 درجة مئويةيزداد فقدان مخزون الليثيوم بشكل ملحوظ مقارنةً بدرجة حرارة ٢٥ درجة مئوية أو صفر درجة مئوية. يلخص الجدول أدناه هذا التأثير:

إن الحفاظ على درجة حرارة البطارية أقل من 30 درجة مئوية يساعدك على إبطاء التدهور وإطالة عمر البطارية.

2.2 الشحن الزائد والجهد العالي

يؤدي الشحن الزائد أو استخدام جهد قطع مرتفع إلى إتلاف حزمة البطارية. ستلاحظ زيادة في المقاومة الداخلية، وانخفاضًا في كثافة الطاقة، وزيادة في خطر طلاء الليثيوم. تؤكد البيانات التجريبية أن الشحن الزائد يؤدي إلى ارتفاع حاد في درجة الحرارة وإجهاد ميكانيكي، مما قد يؤدي إلى مشاكل في السلامة. استخدم دائمًا نظام إدارة بطارية موثوقًا به (BMS) لمنع الشحن الزائد وحماية استثمارك.

2.3 معدلات الشحن/التفريغ

تُسرّع معدلات الشحن والتفريغ العالية من تدهور البطارية. تُظهر الدراسات أن الشحن السريع، وخاصةً في درجات الحرارة المنخفضة، يُسبب ترسب أيونات الليثيوم على شكل ليثيوم معدني، مما يُقلل من عمر دورة الشحن. كما أن التفريغ بسرعات عالية يزيد من المقاومة الداخلية وهدر السعة. لذا، يُنصح بتحسين بروتوكولات الشحن وتجنب طفرات التيار العالية لتحسين أداء البطارية.

2.4 شروط التخزين

ظروف التخزين المناسبة ضرورية لإطالة عمر البطارية. تخزين البطاريات في حالة شحن عالية أو في بيئات حارة يزيد من معدلات تآكلها. تُظهر التجارب المُحكمة أن أنظمة التحكم الحراري، مثل مواد تغيير الطور، تُساعد في تنظيم درجة الحرارة وإطالة عمر دورة البطارية. خزّن بطارياتك في بيئات باردة وجافة مع شحن جزئي للحصول على أفضل النتائج.

2.5 ركوب الدراجات العميق مقابل ركوب الدراجات الجزئي

يؤدي التدوير العميق (الشحن الكامل إلى التفريغ الكامل) إلى تقصير عمر البطارية. دورة جزئيةمثل التشغيل بين ٢٥٪ و٧٥٪ من حالة الشحن، يسمح لحزمتك بتحقيق دورات أطول قبل أن تنخفض سعتها إلى أقل من ٨٠٪. تُظهر بيانات الصناعة أن التدوير الجزئي يمكن أن يضاعف تقريبًا عمر بطارية حزمتك.

2.6 شيخوخة التقويم

حتى في حالة عدم الاستخدام، تتقدم بطارية الليثيوم أيون في العمر مع مرور الوقت. ينتج هذا التلف التقويمي عن تفاعلات كيميائية مستمرة داخل الخلية. يمكنك إبطاء هذه العملية بتخزين البطاريات في درجات حرارة معتدلة وشحنها جزئيًا.

للحصول على حلول مخصصة لتحسين عمر بطارية جهازك وأدائها، استشر خبراء OEM/ODM لدينا.

ستواجه انخفاضًا في سعة البطارية نتيجةً لنمو SEI، وطلاء الليثيوم، وتدهور الأقطاب الكهربائية، مما يُقصّر من عمر البطارية. كما تُقلّل الشيخوخة التقويمية من سعة البطارية، كما أظهرت الدراسات. تتبع ما يصل إلى 13 عامًا من بيانات الهاتف الخلوي التجارية:

• يؤكد Röder et al. (2014) وSchmitt et al. (2017) أن الشيخوخة التقويمية تؤثر على عمر البطارية وسعتها حتى بدون دورة.

• تؤدي درجة الحرارة المرتفعة وحالة الشحن إلى تسريع فقدان سعة البطارية وتقصير عمرها.

يمكنك إطالة عمر البطارية من خلال تحسين الشحن، والتحكم في درجة الحرارة، وتخزين البطاريات بشكل صحيح. وتستمر الأبحاث في تحسين سعة البطارية وعمرها للتطبيقات المهمة للأعمال.

الأسئلة الشائعة

1. ما هو السبب الرئيسي لفقدان السعة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في مجموعات البطاريات؟

يُلاحظ انخفاض في سعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن، خاصةً نتيجة نمو طبقة SEI، وطلاء الليثيوم، وتدهور الأقطاب الكهربائية. تُقلل هذه العمليات من الليثيوم المتاح، وتحد من أداء حزمة البطاريات.

2. كيف يمكنك إطالة عمر البطاريات القابلة لإعادة الشحن في التطبيقات المهمة للأعمال؟

ينبغي عليك تحسين بروتوكولات الشحن، والتحكم في درجة الحرارة، وتخزين العبوات بشحن جزئي. تساعد المراقبة المنتظمة ونظام إدارة البطارية القوي على إطالة عمر البطاريات القابلة لإعادة الشحن.

3. لماذا تتدهور البطاريات القابلة لإعادة الشحن الموجودة في مجموعات البطاريات بشكل أسرع في البيئات ذات درجات الحرارة العالية؟

تُسرّع درجات الحرارة المرتفعة التفاعلات الكيميائية داخل البطاريات القابلة لإعادة الشحن. وهذا يُسرّع نموّ SEI وطلاء الليثيوم، مما يُؤدي إلى فقدان أسرع للسعة ويُقلّل من موثوقية حزمة البطارية.

للحصول على حلول مخصصة ونصائح الخبراء بشأن البطاريات القابلة لإعادة الشحن، اتصل بنا Large Powerالصورة فريق التخصيص.