راهکارهای افزایش عمر باتری لیتیومی

🔄 آخرین به‌روزرسانی: آذر ۱۴۰۴

باتری‌های لیتیومی با مزایای فراوان خود، به سرعت جایگزین فناوری‌های قدیمی‌تر مانند باتری‌های سرب اسید شده‌اند. با رها باتری همراه باشید تا راهکارهای افزایش طول عمر باتری لیتیومی را بررسی کنیم.

عمر باتری لیتیومی

باتری های لیتیوم یون بر اساس حرکت یون‌ها بین الکترودهای مثبت و منفی کار می‌کنند. از نظر تئوری این فرآیند می‌تواند به‌طور نامحدود ادامه داشته باشد. اما در اثر عواملی مانند چرخه‌های شارژ و دشارژ، دماهای بالا و فرایندهای طبیعی فرسوده شدن باتری در طول زمان؛ تنها ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه شارژ/دشارژ امکانپذیر است.

ارزیابی عمر باتری لیتیوم پلیمری بر اساس تعداد چرخه‌ها روش کاملاً دقیقی نیست، زیرا عمق هر دشارژ متفاوت است و تعریف مشخصی از چرخه وجود ندارد. به جای شمارش چرخه‌ها، برخی از تولیدکنندگان توصیه می‌کنند باتری را بر اساس تاریخ درج شده تعویض کنید، اما این روش مصرف واقعی و شرایط محیطی را در نظر نمی‌گیرد. استفاده بیش از حد یا قرار گرفتن در دماهای نامطلوب می‌تواند عمر باتری را پیش از موعد کاهش دهد؛ با این حال، در بیشتر موارد باتری‌ها بیشتر از تاریخ پیشنهادی دوام می‌آورند.

” بیشتر بخوانید: عملکرد کلی باتری‌های لیتیوم یون “

ظرفیت باتری

عملکرد یک باتری عمدتاً بر اساس ظرفیت آن اندازه‌گیری می‌شود. این ظرفیت به‌ عنوان یکی از مهم‌ترین شاخص‌های سلامت باتری شناخته می‌شود. به‌طور طبیعی مقاومت داخلی و خود تخلیه گی نیز تأثیرگذار هستند، اما در باتری‌های لیتیوم-یون مدرن، این عوامل کمتر از ظرفیت باتری در پیش‌بینی پایان عمر آن اهمیت دارند.

شکل 1 کاهش ظرفیت 11 عدد باتری لیتیوم-پلیمر را نشان می‌دهد که در آزمایشگاه Cadex تحت چرخه‌های مختلف قرار گرفته‌اند. کیسه سلولی باتری 1,500mAh برای تلفن‌های همراه ابتدا با جریان 1,500mA (1C) تا 4.20V/cell شارژ شدند و سپس اجازه داده شد که باتری‌ها به 0.05C (75mA) برای اشباع کامل شارژ برسند. در ادامه باتری‌ها با جریان 1,500mA تا 3.0V/cell دشارژ شدند و این چرخه تکرار شد. باتری‌ها عملکردی مطابق با انتظارات داشتند و کاهش ظرفیت مورد انتظار برای باتری‌های لیتیوم-یون به‌طور یکنواخت در طول 250 چرخه رخ داد.

معمولاً باتری‌ها باید در سال اول استفاده 100 درصد ظرفیت خود را در عمل نشان دهند، اما در واقع ممکن است ظرفیت آن‌ها کمی کمتر از مقدار مشخص‌شده باشد. یکی از دلایل کاهش ظرفیت، زمان نگهداری باتری‌ها قبل از استفاده است. علاوه بر این، معمولاً تولیدکنندگان ظرفیت باتری‌ را کمی بالاتر از واقعیت اعلام می‌کنند، و اکثر کاربران نیز هیچ‌وقت به‌طور دقیق ظرفیت باتری را بررسی نکرده و اگر باتری ظرفیت کمتری هم داشته باشد، به آن اعتراضی هم نمی‌کنند. در گوشی‌های همراه و تبلت‌، چون نیازی به تطبیق دقیق سلول‌های باتری نیست (برخلاف باتری‌های چند سلولی که باید سلول‌ها با هم تطبیق داشته باشند)، باتری‌هایی با ظرفیت کمتر نیز ممکن است بدون اینکه کسی از آن مطلع شود، به بازار راه پیدا کنند.

عمق دشارژ یا DoD

مثل یک دستگاه مکانیکی که با استفاده زیاد سریع‌تر فرسوده می‌شود، عمق دشارژ یا DoD تعیین‌کننده تعداد چرخه‌های عمر باتری است. هرچقدر عمق دشارژ کمتر باشد (DoD پایین‌تر)، باتری مدت زمان بیشتری کار می‌کند. بنابراین در صورت امکان از تخلیه کامل باتری خودداری کرده و باتری را بین موارد مصرف خود بیشتر شارژ کنید. دشارژ جزئی برای باتری‌های لیتیوم-یون مشکلی ندارد، زیرا این باتری‌ها حافظه نداشته و نیازی به انجام چرخه‌های دشارژ کامل دوره‌ای به منظور طولانی‌تر کردن عمر خود ندارند.

در جدول 2 تعداد چرخه‌های شارژ-دشارژی که باتری لیتیوم-یون می‌تواند در سطوح مختلف عمق دشارژ (DoD)، قبل از اینکه ظرفیت باتری به 70 درصد کاهش یابد، داشته باشد تخمین زده شده است. در این جدول، عمق دشارژ (DoD) به معنای یک شارژ کامل است که پس از آن باتری تا سطح مشخص‌شده در جدول دشارژ می‌شود.

جدول 2: چرخه عمر به عنوان تابعی از عمق دشارژ

عمق دشارژ DOD	چرخه های دشارژ
	NMC	LiPO4
100% DoD	~300	~600
80% DoD	~400	~900
60% DoD	~600	~1,500
40% DoD	~1,000	~3,000
20% DoD	~2,000	~9,000
10% DoD	~6,000	~15,000

دشارژ جزئی فشار وارده به باتری را کاهش داده و عمر آن را افزایش می‌دهد. شارژ جزئی نیز همین تاثیر را دارد. دماهای بالا و جریان‌های زیاد نیز بر چرخه عمر باتری تأثیرگذارند.

• عمق دشارژ 100% معادل یک چرخه کامل است؛ 10% بسیار کوتاه است. چرخه‌ در حالت میانه‌شارژ (mid-state-of-charge) عمر باتری را بیشتر می کند.

اثرات گرما و ولتاژ بالا بر عمر مفید باتری لیتیوم یونی

گرما و ولتاژ شارژ بالا باعث می شود باتری‌های لیتیوم-یون تحت فشار و آسیب قرار گیرند. دمای بالای 30 درجه سانتی گراد به عنوان دمای بالا و ولتاژ بالاتر از 4.10V/cell به عنوان ولتاژ بالا برای این باتری ها شناخته می‌شوند. قرار دادن باتری در دمای بالا و نگه‌داشتن آن در حالت شارژ کامل برای مدت طولانی می‌تواند حتی بیشتر از چرخه باتری را تحت فشار قرار دهد. جدول 3 کاهش ظرفیت باتری را به عنوان تابعی از دما و وضعیت شارژ (SoC) نشان می‌دهد.

” بیشتر بخوانید: شارژ و دشارژ باتری‌ ها در دماهای بالا و پایین ” 

جدول 3: ظرفیت قابل بازیابی تخمین زده شده در صورت نگهداری باتری لیتیوم-یون برای یک سال در دماهای مختلف

دما	40% شارژ	100% شارژ
0°C	98% (بعد از یکسال)	94% (بعد از یکسال)
25°C	96% (بعد از یکسال)	80% (بعد از یکسال)
40°C	85% (بعد از یکسال)	65% (بعد از یکسال)
60°C	75% (بعد از یکسال)	60%  (بعد از 3 ماه)

دمای بالا باعث تسریع در کاهش ظرفیت دائمی باتری می‌شود. البته تمامی سیستم‌های لیتیوم-یون به یک شکل عمل نمی‌کنند و رفتار آن‌ها ممکن است بسته به نوع باتری متفاوت باشد.

تاثیر ولتاژ آستانه بر عمر باتری

اکثر باتری‌های لیتیوم-یون تا ولتاژ 4.20V/cell شارژ می‌شوند و هر کاهش 0.10V/cell در ولتاژ آستانه، چرخه عمر باتری را دو برابر می‌کند. برای مثال، یک سلول لیتیوم-یون که تا 4.20V/cell شارژ شود، معمولاً 300 تا 500 چرخه را کامل میکند. اگر فقط تا 4.10V/cell شارژ شود، عمر آن می‌تواند به 600 تا 1,000 چرخه افزایش یابد؛ شارژ تا 4.0V/cell می‌تواند 1,200 تا 2,000 چرخه و شارژ تا  3.90V به ازای هر سلول می‌تواند 2,400 تا 4,000 چرخه را فراهم کند.

تاثیر ولتاژ آستانه بر ظرفیت باتری

اما نکته منفی این است که کاهش ولتاژ آستانه ظرفیت باتری را کاهش می‌دهد. به‌طور ساده، هر کاهش 70mV در ولتاژ شارژ باعث کاهش 10 درصدی ظرفیت کلی باتری می‌شود. اعمال مجدد ولتاژ آستانه در شارژ بعدی، ظرفیت کامل باتری را باز می‌گرداند.

از نظر طول عمر، ولتاژ شارژ بهینه برای باتری‌ها 3.92V/cell است. به عقیده کارشناسان این آستانه تمام فشارهای مربوط به ولتاژ را از بین می‌برد؛ اگرچه کاهش بیشتر از این مقدار ممکن است منجر به بروز علائم منفی شود.

جدول 4: خلاصه‌ای از ظرفیت باتری به عنوان تابعی از وضعیت شارژ.
(تمامی مقادیر تخمینی هستند؛ سلول‌های انرژی با آستانه‌های ولتاژ بالاتر ممکن است متفاوت باشند)

وضعیت شارژ*  (V/cell)	چرخه های دشارژ	انرژی ذخیره شده موجود**
[4.30]	[150–250]	[110–115%]
4.25	200–350	105–110%
4.20	300–500	100%
4.13	400–700	90%
4.06	600–1,000	81%
4.00	850–1,500	73%
3.92	1,200–2,000	65%
3.85	2,400–4,000	60%

هر کاهش 0.10V زیر 4.20V/cell در ازای ظرفیت کمتر، تعداد چرخه را دو برابر می‌کند. افزایش ولتاژ بالای 4.20V/cell عمر باتری را کاهش می‌دهد. مقادیر ارائه‌شده نشان‌دهنده شارژ معمولی باتری لیتیوم-یون تا 4.20V/سلول است.

راهنما: هر کاهش 70mV در ولتاژ شارژ ظرفیت قابل استفاده را حدود 10 درصد کاهش می‌دهد.

*برای باتری‌هایی با سطوح مختلف ولتاژ در شارژ کامل، چرخه‌های عمر مشابه دیده می شود.
** بر اساس یک باتری نو با ظرفیت 100 درصد در شرایطی که تا ولتاژ کامل شارژ میشود.

بر اساس آزمایش: دانشگاه تکنولوژی چالمرز سوئد گزارش می‌دهد که استفاده از وضعیت شارژ کاهش‌یافته  50% SOC می‌تواند عمر پیش‌بینی‌شده باتری لیتیوم-یون خودرو را 44 تا 130 درصد افزایش دهد.

بیشتر شارژرهای گوشی‌های همراه، لپ‌تاپ‌، تبلت‌ و دوربین‌های دیجیتال باتری‌های لیتیوم-یون را تا 4.20V/cell شارژ می‌کنند. این ولتاژ حداکثر ظرفیت را فراهم می‌کند، دقیقا چیزی که مصرف کننده دنبال آن است. در صنعت، مانند ماهواره‌ها و خودروهای برقی، خواسته اصلی طول عمر بیشتر باتری است. به همین علت ممکن است از آستانه‌های ولتاژ پایین‌تر استفاده شود.

” بیشتر بخوانید: شارژر باتری لیتیومی “

اثر ولتاژ بر چرخه عمر باتری

به دلایل ایمنی، بسیاری از باتری‌های لیتیوم-یون نمی‌توانند از 4.20V/cell تجاوز کنند (به استثنا برخی از انواع NMC). در حالی که ولتاژ بالاتر ظرفیت را افزایش می‌دهد، اما افزایش ولتاژ باعث کاهش عمر باتری شده و ایمنی را نیز به خطر می‌اندازد. شکل 5 تعداد چرخه‌ را به عنوان تابعی از ولتاژ شارژ نشان می‌دهد. در 4.35V، تعداد چرخه‌ها برای یک باتری لیتیوم-یون معمولی به نصف کاهش می‌یابد.

ولتاژهای شارژ بالاتر ظرفیت را افزایش می‌دهند اما چرخه عمر را کاهش داده و ایمنی را نیز به خطر می‌اندازند.

علاوه بر انتخاب بهترین ولتاژهای آستانه متناسب با کاربرد خاص، باتری لیتیوم-یون نباید برای مدت طولانی در سقف ولتاژ بالا یعنی 4.20V/cell باقی بماند. شارژر لیتیوم-یون جریان شارژ را قطع کرده و ولتاژ باتری به سطح طبیعی‌ باز می‌گردد. این کار شبیه شل کردن عضلات پس از یک تمرین شدید است.

کاهش ظرفیت باتری در هر محدوده شارژ و دشارژ

در شکل 6 تست تنش دینامیک (DST) در باتری لیتیوم یون و کاهش ظرفیت باتری در هنگام چرخه‌ در محدوده های مختلف شارژ و دشارژ نشان داده شده است. بیشترین کاهش ظرفیت زمانی اتفاق می‌افتد که باتری لیتیوم-یون کاملاً شارژ شده تا 25 درصد وضعیت شارژ (SoC) دشارژ شود (مشکی)؛در صورت دشارژ کامل این کاهش بیشتر می شود. چرخه‌ بین 85 و 25 درصد (سبز) عمر مفید طولانی‌تری نسبت به شارژ کامل تا 100 درصد و تخلیه تا 50 درصد (آبی تیره) فراهم می‌کند. کمترین کاهش ظرفیت با شارژ باتری لیتیوم-یون تا 75 درصد و دشارژ تا 65 درصد حاصل می‌شود. با این حال در این روش به‌طور کامل از ظرفیت باتری استفاده نمی‌شود. ولتاژهای بالا و قرار گرفتن در دمای بالا باتری را سریع‌تر از چرخه‌ در شرایط عادی خراب می‌کند.

• مورد 1: 75–65% وضعیت شارژ (SoC) طولانی‌ترین چرخه عمر را فراهم میکند، اما در این صورت تنها 90,000 واحد انرژی (EU) تولید شده و فقط 10% از ظرفیت باتری استفاده می‌شود.
• مورد 2: 75–25% وشعیت شارژ، 3,000 چرخه (تا 90% ظرفیت) و 150,000 واحد انرژی (EU) تولید می‌کند. 50% از ظرفیت باتری استفاده می‌شود. (باتری EV، جدید)
• مورد 3: 85–25% وضعیت شارژ، 2,000 چرخه و 120,000 واحد انرژی (EU) تولید می‌کند. 60% از ظرفیت باتری استفاده می‌شود.
• مورد 4: 100–25% وضعیت شارژ. زمان اجرای طولانی با استفاده 75% از باتری. عمر کوتاه. (گوشی موبایل، پهپاد، و غیره)

*بین تعداد چرخه‌ها در جدول 2 و شکل 6 تفاوت‌هایی وجود دارد. هیچ توضیح واضحی برای این تفاوت‌ها نست مگر اینکه تفاوت در کیفیت باتری و روش‌های آزمایشی را فرض کنیم. البته اختلاف بین باتری‌های مصرفی ارزان‌قیمت و باتری‌های صنعتی مقاوم نیز ممکن است موثر باشند.

” بیشتر بخوانید: ایمنی باتری های لیتیوم یونی “

انرژی باتری

انرژی معین باتری تنها با طی یک چرخه کامل فراهم می شود. در یک سلول انرژی (EC)مدرن، این مقدار حدود 250Wh/kg است، اما چرخه عمر کمتر می شود. محدوده میانه 85-25 درصد، عمر باتری را افزایش می‌دهد، انرژی را به 60 درصد کاهش می‌دهد و این معادل کاهش چگالی انرژی خاص از 250Wh/kg به 150Wh/kg است. تلفن‌های همراه به عنوان کالاهای مصرفی از تمام انرژی باتری استفاده می‌کنند. دستگاه‌های صنعتی، مانند خودروهای برقی (EV)، معمولاً با محدودیت شارژ را به 85%، دشارژ به 25% و با 60 درصد انرژی باتری سعی می کنند عمر باتری را افزایش دهند.

افزایش عمق چرخه نیز باعث افزایش مقاومت داخلی سلول لیتیوم-یون می‌شود. شکل 7 نشان می دهد که در عمق چرخه 61 درصد یک افزایش شدید خواهیم داشت. این افزایش مقاومت دائمی است.

توجه: مقادیر روش DC نسبت به روش AC متفاوت است (قاب سبز). برای نتیجه بهتر، از روش DC برای محاسبه بار استفاده کنید.

پیش‌بینی عمر باتری با استفاده از برون‌یابی

شکل 8: مدل‌سازی پیش‌بینی عمر باتری با استفاده از برون‌یابی داده‌های شکل 6 را نشان می دهد. بدر این برون یابی فرض می شود که ظرفیت باتری با چرخه‌ به طور خطی کاهش می‌یابد. اگر این موضوع درست باشد، ظرفیت باتری لیتیوم-یون با چرخه در محدوده 75%-25% وضعیت شارژ (SoC) (آبی)، پس از 14,000 چرخه به 74% کاهش می‌یابد. اگر این باتری با 85% شارژ و همان عمق دشارژ (DoD) (سبز) شارژ شود، ظرفیت آن پس از 14,000 چرخه به 64% کاهش خواهد یافت، و با 100% شارژ و همان عمق دشارژ (DoD) (سیاه)، ظرفیت به 48% کاهش می‌یابد. به دلایل نامعلوم، در واقعیت عمر باتری کمتر از مقادیر مدل‌سازی شبیه‌سازی شده هستند.

” بیشتر بخوانید: مقایسه بین باتری‌های لیتیوم یون و باتری‌های لیتیوم پلیمر “

نتیجه گیری

باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل مزایای متعدد خود به سرعت جایگزین فناوری‌های قدیمی‌تر شده‌اند، اما عواملی مانند عمق دشارژ (DoD)، دمای بالا، و ولتاژ شارژ بالا بر چرخه عمر باتری ها تأثیر منفی دارند. کاهش عمق دشارژ و استفاده از ولتاژهای شارژ پایین‌تر می‌تواند عمر باتری را افزایش دهد، اگرچه این رویکرد به قیمت کاهش ظرفیت کلی تمام می‌شود. به‌طور خاص، محدود کردن محدوده شارژ به 85% تا 25% وضعیت شارژ (SoC) می‌تواند چرخه‌های بیشتری را فراهم کند و برای کاربردهای صنعتی مانند خودروهای برقی سودمند است.

دمای بالا و نگهداری باتری در حالت شارژ کامل باعث می شود باتری سریع تر خراب شود. مدل‌سازی‌ چرخه عمر باتری نشان می‌دهد که کاهش ظرفیت در طول زمان به‌طور خطی اتفاق می‌افتد، اما عمر واقعی معمولاً کمتر از پیش‌بینی‌های آزمایشگاهی است. برای افزایش بهره‌وری، مدیریت مناسب ولتاژ و دمای شارژ و خودداری از استفاده از شارژرهای سریع توصیه می‌شود. این رویکرد به کاهش مقاومت داخلی و افزایش پایداری باتری کمک می‌کند.

منبع: batteryuniversity.com