تتدهور بطاريات أيون الليثيوم بمرور الوقت، حتى عند عدم استخدامها لفترة طويلة. يحدث هذا لأن التفاعلات الكيميائية الداخلية، مثل تحلل الإلكتروليت، تستمر على المستوى المجهري. تشير الدراسات إلى أن التغيرات في تركيب الإلكتروليت وتكوين التغصنات تُضخّم هذا التدهور. تُسرّع درجات الحرارة المرتفعة التفريغ الذاتي، وقد تُحفّز ذوبان المعادن الانتقالية. في التطبيقات الصناعية، قد يؤثر التخزين غير السليم بشدة على أداء البطارية وموثوقيتها. لفهم ما يحدث عند عدم استخدام بطاريات الليثيوم لفترة طويلة، تعرّف على المزيد حول بطاريات أيون الليثيوم. هنا.
الوجبات السريعة الرئيسية
حافظ على شحن بطاريات الليثيوم بنسبة تتراوح بين ٤٠ و٦٠٪ لتجنب التلف. هذا يُساعدها على الاستمرار لفترة أطول.
خزّن البطاريات في مكان بارد وجاف. هذا يُبطئ التغيرات الكيميائية الضارة.
افحص البطاريات باستمرار واعتنِ بها. هذا يضمن عملها بكفاءة، خاصةً للآلات الكبيرة.
الجزء 1: ماذا يحدث إذا لم يتم استخدام بطاريات الليثيوم لفترة طويلة
1.1 الشيخوخة التقويمية وتأثيرها على بطاريات الليثيوم أيون
عندما تبقى بطاريات أيونات الليثيوم غير مستخدمة، يُصبح التقادم التقويمي عاملاً رئيسياً في تدهورها. تشير هذه العملية إلى الانخفاض التدريجي في سعة البطارية بمرور الوقت، حتى في غياب الاستخدام النشط. ينتج التقادم التقويمي بشكل أساسي عن تفاعلات كيميائية داخل مكونات البطارية، مثل الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية. تحدث هذه التفاعلات بشكل طبيعي وتتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة وظروف التخزين.
لفهم شيخوخة التقويم بشكل أفضل، يستخدم الباحثون منهجيات متنوعة. على سبيل المثال، تُقيّم التصميمات غير القائمة على النماذج، مثل منهج العامل الكامل ومنهج المكعب الفائق اللاتيني، سلوك التدهور بشكل شامل. تُحسّن المناهج القائمة على النماذج، مثل منهج باي-أوكسفورد (Pi-OED)، هذه النتائج بمقارنة التبعيات وتقديم تنبؤات أكثر دقة.
المرحلة | آلية العمل | الوصف |
|---|---|---|
1 | DoE غير المستند إلى النموذج | تصميمات المكعب الزائدي الكامل واللاتيني لتقييم سلوك التدهور. |
2 | نموذج قائم على pi-OED | يقوم بتحسين التبعيات ومقارنتها بالطرق غير المعتمدة على النموذج. |
من خلال فهم شيخوخة التقويم، يمكنك تنفيذ استراتيجيات لإبطاء هذه العملية وتحقيق عمر أطول للبطارية.
1.2 التفاعلات الكيميائية خلال فترات الخمول
حتى في حالة عدم استخدام بطاريات أيونات الليثيوم، تستمر التفاعلات الكيميائية الداخلية. غالبًا ما تتضمن هذه التفاعلات تحلل الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تكوين نواتج ثانوية غير مرغوب فيها. مع مرور الوقت، تتراكم هذه النواتج الثانوية وتساهم في فقدان السعة. بالإضافة إلى ذلك، قد تُحاصر أيونات الليثيوم في طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)، مما يقلل من قدرتها على الحركة ويزيد من تدهور أداء البطارية.
تزيد فترات الخمول أيضًا من خطر تكوّن الشجيرات. تنمو هذه الهياكل الشبيهة بالإبر على قطب البطارية الموجب، وقد تخترق الفاصل، مما يتسبب في حدوث قصر في الدائرة الكهربائية أو حتى تعطل البطارية تمامًا. يمكن لظروف التخزين المناسبة، كالحفاظ على درجة حرارة ومستوى شحن معتدلين، أن تقلل من هذه المخاطر.
1.3 فقدان الشحنة ومخاطر العتبة الحرجة
تُفرّغ بطاريات الليثيوم أيون نفسها حتى عند عدم استخدامها. يعتمد معدل التفريغ الذاتي على عوامل مثل درجة الحرارة وحالة شحن البطارية. إذا انخفض مستوى الشحن عن الحد الحرج، فقد تتعرض البطارية لتلف لا رجعة فيه. على سبيل المثال، قد تتعرض البطاريات المُفرَغة بشكل زائد لتدهور في أقطابها، مما يؤدي إلى فقدان دائم لسعتها.
لتجنب ذلك، يُنصح بتخزين بطاريات أيونات الليثيوم عند مستوى شحن مثالي، عادةً ما بين 40% و60%. يُساعد فحص مستوى الشحن بانتظام وإعادة شحنها عند الحاجة في الحفاظ على سعة البطارية وإطالة عمرها الافتراضي. في التطبيقات الصناعية، يضمن اتباع هذه الممارسات أداءً موثوقًا للبطارية عند استخدامها.
الجزء الثاني: آليات التدهور في بطاريات الليثيوم أيون
2.1 تحلل الإلكتروليت وتأثيراته
يُعد تحلل الإلكتروليت أحد العوامل الرئيسية التي تُسهم في تدهور البطارية. فمع مرور الوقت، يخضع الإلكتروليت في بطاريات أيونات الليثيوم لتفاعلات كيميائية تُنتج نواتج ثانوية. تتراكم هذه النواتج الثانوية وتتداخل مع البنية الداخلية للبطارية، مما يُقلل من كفاءتها. على سبيل المثال، يُعد تكوين طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) نتيجة مباشرة لتحلل الإلكتروليت. فبينما تحمي طبقة SEI الأنود في البداية، فإن نموها المستمر يستهلك أيونات الليثيوم النشطة، مما يؤدي إلى فقدان السعة.
تُسلّط دراسةٌ حلّلت أكثر من 17,000 نوعٍ فريدٍ مُشاركٍ في تكوين مُركّب SEI الضوءَ على تعقيد هذه التفاعلات. وباستخدام حساباتٍ كيميائيةٍ كمّيةٍ وبياناتٍ تجريبية، حدّد الباحثون كيفيّة تأثير تحلل الإلكتروليت على أداء البطاريات. ويُؤكّد هذا البحث على أهمية اختيار الإلكتروليتات والمواد المضافة عالية الجودة للحدّ من التحلل.
للتخفيف من آثار تحلل الإلكتروليت، يُنصح بتخزين البطاريات في بيئات ذات درجات حرارة ثابتة وتجنب الشحن الزائد. هذه الممارسات تُبطئ التفاعلات الكيميائية وتُطيل عمر البطارية.
2.2 تكوين التشعبات ودورها في فقدان القدرة
التغصنات هي هياكل إبرية الشكل تتشكل على الأنود أثناء عملية الشحن. تنمو هذه الهياكل عندما تترسب أيونات الليثيوم بشكل غير متساوٍ، غالبًا بسبب ارتفاع معدلات الشحن أو فترات الخمول الطويلة. يمكن أن تخترق التغصنات الفاصل بين الأنود والكاثود، مما يسبب قصرًا في الدوائر الكهربائية الداخلية. هذا لا يقلل فقط من سعة البطارية، بل يُشكل أيضًا مخاطر على السلامة، مثل الانفلات الحراري.
توفر الأبحاث رؤى قيمة حول دور الشجيرات في تدهور البطارية:
يؤثر التلاعب بتشجيرات الليثيوم بشكل كبير على أداء البطارية.
الظروف الخارجية، مثل التقلبات في درجات الحرارة، تؤثر على نمو الشجيرات واستعادة قدرتها.
تكشف حسابات كفاءة كولومب (CE) عن اتجاهات في تدهور دورة البطارية، مما يوفر فهمًا أكثر وضوحًا للخسائر المرتبطة بالتشعبات.
لمنع تكوّن الشجيرات، يُنصح باستخدام شواحن ذات إعدادات جهد وتيار مناسبة. في التطبيقات الصناعية، يُساعد استخدام أنظمة إدارة البطاريات المتقدمة (BMS) على مراقبة ظروف الشحن والتحكم فيها بفعالية. تعرّف على المزيد حول تشغيل أنظمة إدارة البطاريات ومكوناتها. هنا.
2.3 نمو طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)
تتشكل طبقة SEI بشكل طبيعي على سطح الأنود خلال دورات الشحن القليلة الأولى. ورغم أنها تعمل كحاجز وقائي، إلا أن نموها المستمر مع مرور الوقت يؤدي إلى فقدان السعة. تستهلك طبقة SEI أيونات الليثيوم ومكونات الإلكتروليت، مما يقلل من عدد الأيونات المتاحة لتخزين الطاقة.
أثبتت الاختبارات المعملية وجود صلة مباشرة بين إجهاد SEI وتلاشي السعة. على سبيل المثال، يُعزى الإجهاد الميكانيكي داخل طبقة SEI إلى نسبة كبيرة من إجمالي فقدان القدرة في مختلف أشكال البطاريات. بالإضافة إلى ذلك، يكشف تحليل التفاعل النووي لليثيوم (Li-NRA) أن تراكم الليثيوم داخل طبقة SEI يُسرّع التحلل. ويمكن أن يُبطئ إدخال إضافات إلكتروليتية مُحددة هذه العملية، مما يُحسّن الاحتفاظ بالسعة.
لتقليل التدهور الناتج عن طبقة SEI، يُنصح بتخزين بطاريات أيون الليثيوم في حالة شحن جزئي (40-60%) وتجنب درجات الحرارة العالية. هذه الإجراءات تُخفف الضغط على طبقة SEI وتُطيل عمر البطارية.
2.4 انخفاض حركة أيونات الليثيوم وتدهور الأقطاب الكهربائية
مع تقدم عمر البطاريات، تقل قدرة أيونات الليثيوم على الحركة، مما يؤثر بشكل مباشر على أدائها. وتساهم عدة عوامل في هذه المشكلة:
نمو طبقة SEI:يؤدي سماكة طبقة SEI إلى تقييد حركة أيونات الليثيوم، مما يقلل من السعة وناتج الطاقة.
طلاء الليثيوم:تترسب أيونات الليثيوم الزائدة على سطح الأنود، مما يحد من المواد المتاحة لتخزين الأيونات. وهذا يزيد أيضًا من خطر تكوّن الشجيرات.
الضغط الميكانيكى:تتسبب دورات الشحن والتفريغ المتكررة في حدوث تغييرات هيكلية في الأقطاب الكهربائية، مما يقلل من قدرتها على تخزين أيونات الليثيوم.
إذابة الكاثود:تؤدي التفاعلات في الإلكتروليت إلى إذابة مادة الكاثود، مما يؤدي إلى إضعاف حركة أيونات الليثيوم وتعزيز نمو SEI.
تُظهر الأبحاث أن بطاريات الليثيوم أيون الخاملة تُفرّغ شحنتها ذاتيًا نتيجةً لتفاعلات كيميائية داخلية. على سبيل المثال، تنتقل ذرات الهيدروجين من الإلكتروليت إلى الكاثود، لتشغل مواقع مُخصصة لأيونات الليثيوم. يُؤثر هذا سلبًا على أداء البطارية ويُقصّر عمرها الافتراضي.
لمواجهة هذه التحديات، يُنصح باتباع ممارسات تخزين سليمة والنظر في استخدام تقنيات بطاريات متطورة، مثل بطاريات LiFePO4 Lithium، التي توفر استقرارًا أفضل وعمرًا أطول. تعرّف على المزيد حول بطاريات LiFePO4. هنا.
الجزء 3: العوامل الخارجية المؤثرة على تدهور البطارية
3.1 تأثير درجة الحرارة على استقرار بطارية الليثيوم أيون
تلعب درجة الحرارة دورًا حاسمًا في استقرار وأداء بطاريات الليثيوم. تُسرّع درجات الحرارة العالية والمنخفضة من تدهور البطارية من خلال التأثير على التفاعلات الكيميائية الداخلية. تزيد درجات الحرارة العالية من معدل تحلل الإلكتروليت وتعزز نمو طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)، التي تستهلك أيونات الليثيوم النشطة. في المقابل، تُقلل درجات الحرارة المنخفضة من حركة أيونات الليثيوم وتزيد من خطر طلاء الليثيوم، مما يؤدي إلى فقدان السعة ومخاطر السلامة.
تكشف الدراسات المُراجعة من قِبل الأقران أن عمر بطاريات الليثيوم أيون ينخفض بشكل كبير في درجات الحرارة المنخفضة، حيث يتراوح بين 90 و140 دورة فقط، مقارنةً بأكثر من 2000 دورة في درجات الحرارة المرتفعة. وتُسلّط دراسة أخرى الضوء على أهمية الإدارة الحرارية، حيث تُظهر أن طرق التبريد المختلفة يُمكن أن تُغيّر معدلات التدهور بما يصل إلى ثلاثة أضعاف.
في التطبيقات الصناعية، يُعد الحفاظ على درجة حرارة مثالية أمرًا ضروريًا لإطالة عمر البطارية. تساعد أنظمة إدارة الحرارة المتقدمة على تنظيم درجة الحرارة ومنع التوزيع غير المتساوي للحرارة داخل مجموعات البطاريات. تُعد هذه الأنظمة مفيدة بشكل خاص لصناعات مثل الروبوتات، حيث يُعدّ الأداء الثابت للبطارية أمرًا بالغ الأهمية. تعرّف على المزيد حول تطبيقات الروبوتات. هنا.
3.2 مخاطر الرطوبة والتعرض للرطوبة
يؤثر التعرض للرطوبة والبلل بشكل كبير على استقرار بطاريات الليثيوم. فعند تعرض البطاريات لرطوبة عالية، تتفاعل جزيئات الماء مع مكوناتها، مما يُحفز تفاعلات كيميائية تُضعف أدائها. على سبيل المثال، تُجري أكاسيد معادن الليثيوم الانتقالية ذات الطبقات الغنية بالنيكل تبادلاً أيونياً بين أيونات الليثيوم الموجبة (Li+) وأيونات الهيدروجين السالبة (H+) من الماء، مُشكلةً مركبات مثل Li2CO3 وLiOH. تتراكم هذه المركبات على سطح البطارية، مما يُقلل من التوصيل الأيوني ويُسبب فقدان السعة.
الحالة | توليد H2S (سم مكعب/جم) | |
|---|---|---|
غرفة جافة (30 دقيقة من التعرض) | 0.1 | > 50 |
ملاط الدوديكان | 0 | 14 |
تُعدّ إدارة الرطوبة بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية للصناعات التي تعتمد على بطاريات الليثيوم، مثل أنظمة الأمان. يُجنّب تخزين البطاريات في بيئات منخفضة الرطوبة التآكل والتلف الداخلي، مما يضمن أداءً موثوقًا. استكشف تطبيقات أنظمة الأمان. هنا.
3.3 أفضل الممارسات لتخزين مجموعات بطاريات الليثيوم
إن اتباع أفضل الممارسات لتخزين بطاريات الليثيوم يُحسّن من عمرها الافتراضي وموثوقيتها بشكل كبير. تُسرّع ظروف التخزين غير المناسبة، كالتعرض لدرجات حرارة عالية أو رطوبة عالية، من تدهور البطارية وتزيد من مخاطر السلامة، مثل التسرب الحراري. لإطالة عمر البطارية، اتبع هذه الممارسات المُوصى بها من قِبل قطاع الصناعة:
التحكم في درجة الحرارة: قم بتخزين البطاريات في بيئة باردة وجافة، ويفضل أن تكون في درجة حرارة الغرفة.
تجنب الضوء المباشر: قم بإبقاء البطاريات بعيدًا عن أشعة الشمس لمنع ارتفاع درجة حرارتها.
إدارة الرطوبة: حافظ على مستويات الرطوبة المنخفضة لتجنب التآكل.
ضمان تدفق الهواء: توفير تهوية جيدة لمنع تراكم الحرارة.
مكان آمن: قم بتخزين البطاريات في أماكن آمنة وجافة بعيدًا عن المواد القابلة للاشتعال.
فحص حالة البطارية: فحص الضرر قبل التخزين.
مستوى الشحن: قم بتخزين البطاريات بنسبة شحن 40-50% للتخزين طويل الأمد.
مستوى الشحن قبل التخزين: قم بتخزينه عند نسبة شحن 50% لتقليل الضغط على البطارية.
ظروف درجة الحرارة المثالية: حافظ على درجات حرارة التخزين بين 5 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية (41 درجة فهرنهايت إلى 68 درجة فهرنهايت).
حماية البيئة: تجنب الرطوبة العالية وأشعة الشمس المباشرة.
حاويات التخزين الآمنة: استخدم العبوات الأصلية أو العلب البلاستيكية لمنع حدوث ماس كهربائي.
تُعد ممارسات التخزين السليمة بالغة الأهمية للتطبيقات الصناعية، حيث تؤثر موثوقية البطارية بشكل مباشر على الكفاءة التشغيلية. إذا كنت بحاجة إلى حلول بطاريات مخصصة لقطاعك، فاستشر Large Powerخبراء هنا.
تتدهور بطاريات الليثيوم أيون بمرور الوقت بسبب التفاعلات الكيميائية الداخلية والعوامل البيئية الخارجية، حتى عند عدم استخدامها. يمكن لممارسات التخزين السليمة أن تقلل بشكل كبير من تدهور البطارية وتطيل عمرها الافتراضي.
التوصيات الرئيسية:
الحفاظ على مستوى شحن 50٪ إلى تحسين عمر البطارية بنسبة تصل إلى 130%كما هو موضح في الدراسات التي أجرتها جامعة تشالمرز للتكنولوجيا.
تجنب التفريغ الكامل وقم بتخزين البطاريات في بيئات باردة وجافة لمنع الانفلات الحراري وفقدان السعة.
يضمن اعتماد هذه الاستراتيجيات أداءً موثوقًا به للتطبيقات الصناعية وغيرها من الاستخدامات الحرجة. للحصول على حلول بطاريات الليثيوم المُخصصة لاحتياجاتك، استشر Large Powerخبراء هنا.
الأسئلة الشائعة
1. ما هي أفضل طريقة لتخزين بطاريات الليثيوم لفترات طويلة؟
خزّن البطاريات مشحونة بنسبة 40-50% في مكان بارد وجاف. تجنّب أشعة الشمس المباشرة والرطوبة العالية للحد من تدهور البطارية.
2. هل يمكن أن تفقد بطاريات الليثيوم غير المستخدمة سعتها بشكل دائم؟
نعم، تتدهور البطاريات غير المستخدمة نتيجةً للتفاعلات الكيميائية والتفريغ الذاتي. التخزين السليم يُبطئ هذه العملية ويحافظ على سعتها.
3. كيف تؤثر درجة الحرارة على أداء بطارية الليثيوم؟
درجات الحرارة المرتفعة تُسرّع التفاعلات الكيميائية، بينما تُقلّل درجات الحرارة المنخفضة من حركة أيونات الليثيوم. كلا النقيضين يُضرّان باستقرار البطارية وعمرها الافتراضي.
