EN
روابط سريعة
تتعرض البطاريات القابلة لإعادة الشحن لكميات ضئيلة من التآكل بعد كل دورة شحن لأن الأيونات تتحرك داخلها والقطب الكهربائي يتمدد أثناء الشحن. وعندما تعمل خلايا الليثيوم أيون عند مستويات قصوى، إما شبه فارغة أو ممتلئة بالكامل، فإنها تُحدث إجهادًا إضافيًا على الجزء المسمى بالأنود في البطارية. وفقًا لبحث أجرته المختبر الوطني للطاقة المتجددة عام 2020، يمكن أن يقلل هذا النوع من الاستخدام السعة الكلية للبطارية بنسبة تصل إلى 24٪ سنويًا مقارنةً بالحفاظ على توازن الشحن. ويتفاقم الوضع عندما تستمر الأجهزة في الشحن فوق 90٪ بانتظام، حيث يؤدي ذلك إلى ظاهرة تُعرف باسم ترسيب الليثيوم، وهي واحدة من الأسباب الرئيسية التي تجعل البطاريات تفقد فعاليتها مع مرور الوقت.
الحفاظ على بطاريات الليثيوم أيون مشحونة بين 30٪ و70٪ تقريبًا يساعد في منع تكوّن البلورات المزعجة على الأقطاب الكهربائية، ويقلل من تشكلها بنسبة حوالي 40٪ مقارنةً بشحن البطارية بالكامل من 0 إلى 100٪. وقد بحثت وزارة الطاقة هذه المسألة عام 2019 ووجدت أمرًا مثيرًا للاهتمام: أظهرت اختباراتها أنه عندما تنفَض البطاريات جزئيًا فقط (حوالي 50٪)، فإنها تدوم ما بين 1,200 و1,500 دورة شحن قبل أن تصل إلى 80٪ فقط من سعتها الأصلية. وهذا تقدّم كبير مقارنةً بـ 500 دورة فقط التي نراها عندما تخضع البطاريات لدورات تفريغ كاملة بشكل متكرر. وقد أخذ صنّاع السيارات علماً بهذه النتيجة أيضًا. فعددٌ كبير من المركبات الكهربائية يُقيّد حاليًا الشحن السريع عند 80٪ كجزء من استراتيجيتهم للحفاظ على صحة حزم البطاريات باهظة الثمن على المدى الطويل. وتستخدم شركات مثل تسلا ونيسان وغيرهم أساليب مماثلة في تصميمات مركباتها الكهربائية.
| عمق الاستهلاك | عمر الدورة المتوسط | احتفاظ بالسعة بعد 3 سنوات |
|---|---|---|
| 100٪ (كامل) | 500 دورة | 65%-70% |
| 50% | 1,200 دورة | 85%-88% |
عندما نتحدث عن دورة شحن البطارية، فإننا في الأساس ننظر إلى استخدام 100٪ من إجمالي شحنة البطارية، سواء حدث ذلك دفعة واحدة عندما تنفد الطاقة بالكامل أو من خلال عدة عمليات شحن أصغر على مدار اليوم. تساعدنا الطريقة التي تتبع بها البطاريات الحديثة هذا الاستهلاك على فهم السبب وراء اختلاف التجارب بين الأشخاص فيما يتعلق بعمر بطارية الجهاز، حتى لو كانوا يمتلكون نفس الموديل تمامًا. غالبًا ما يجد الأشخاص الذين يميلون إلى شحن أجهزتهم على دفعات صغيرة أن بطارياتهم لا تزال تحتفظ بنحو 92٪ من طاقتها الأصلية بعد إتمام حوالي 500 دورة شحن كاملة. بالمقارنة مع الأشخاص الذين يسمحون لبطارياتهم بالتفريغ التام بشكل منتظم، والذين غالبًا ما تنخفض سعة أجهزتهم إلى 76٪ فقط بعد استخدام مماثل وفقًا لبعض الاختبارات التي أجرتها مجلة Consumer Reports عام 2022.
إن الحفاظ على بطاريات الليثيوم أيون ضمن مستوى شحن يتراوح بين 20٪ و80٪ يقلل فعليًا من الإجهاد الكهروكيميائي الذي تتعرض له مع مرور الوقت. وفقًا لبعض النتائج الحديثة الصادرة عن جامعة البطاريات (Battery University) في عام 2023، فإن تقييد جهد الشحن عند حوالي 3.92 فولت لكل خلية، وهو ما يعادل تقريبًا 65٪ من حالة الشحن (SOC)، يجعل هذه البطاريات تدوم لفترة أطول بكثير قبل الحاجة إلى استبدالها. بدلًا من 300 إلى 500 دورة شحن عادية عند مستوى الشحن الكامل البالغ 4.2 فولت لكل خلية، يمكن أن تصل هذه الطريقة إلى نحو 2,400 دورة. ما السبب في نجاح هذه الطريقة؟ إنها تساعد على منع مشكلتين رئيسيتين تُقصران عمر البطارية: ترسب الليثيوم على جانب الأنود، وأكسدة مادة الكاثود. وهاتان العمليتان هما بالأساس ما يؤدي إلى تدهور معظم البطاريات مع التقدم في العمر.
| مستوى الشحن (فولت/خلية) | مدى عمر الدورة | احتفاظ السعة |
|---|---|---|
| 4.20 (100% SOC) | 300–500 | 100% |
| 3.92 (65% SOC) | 1,200–2,000 | 65% |
قد يرغب الأشخاص الذين يهتمون أكثر بعمر البطارية أكثر من استغلال كل جزء ممكن من وقت التشغيل في أجهزتهم، في التفكير في الحفاظ على مستويات الشحن بين 25٪ و75٪. يقلل هذا الأسلوب من تقلبات الجهد اليومية بنسبة تقارب 35٪، مما يساعد على إبطاء سرعة نمو طبقة SEI على خلايا البطارية. تعد طبقة SEI السبب الأساسي لتدهور البطاريات مع مرور الوقت. بالتأكيد، تعني هذه الطريقة التنازل عن حوالي 15 إلى 20٪ من السعة المتاحة في أي لحظة، ولكن بالنسبة للأجهزة التي لا تُستخدم طوال اليوم، مثل أنظمة الطاقة الاحتياطية أو المعدات الموسمية، تكون الفوائد كبيرة جدًا. تُظهر بعض الاختبارات أن هذه البطاريات يمكنها توفير ما يصل إلى ثلاثة أضعاف كمية الطاقة الإجمالية طوال عمرها الافتراضي عند تشغيلها ضمن هذا النطاق الأضيق.
عندما تظل بطاريات الليثيوم عند مستوى شحن أعلى من 80٪ لفترات طويلة، فإنها تميل إلى التدهور بشكل أسرع بكثير لأن مقاومتها الداخلية تزداد مع تراكم الحرارة داخل الخلايا. تُظهر الدراسات العلمية أن الشحن الكامل حتى 100٪ عند 4.2 فولت لكل خلية يقلل عمر البطارية إلى النصف مقارنة بالحفاظ عليها عند حوالي 4.0 فولت. وبالنظر إلى الأجهزة الفعلية مثل الهواتف الذكية، فقد يجد شخص يقوم بشحن هاتفه يوميًا حتى يصل إلى 100٪ أنه بعد اثني عشر شهرًا فقط، تحتفظ البطارية بحوالي 73٪ من سعتها الأصلية فقط. ولكن إذا اعتاد شخص آخر إيقاف الشحن عند 80٪، فمن المرجح أن تستمر بطارية هاتفه في العمل بكفاءة تزيد عن 90٪ حتى بعد عام كامل من الاستخدام المنتظم.
تقلل التفريغات الجزئية من إجهاد مواد البطارية عن طريق تقليل الإجهاد الميكانيكي أثناء دورات الشحن والتفريغ. ويحد الاستخدام السطحي (مثل تفريغ بنسبة 20–40% قبل إعادة الشحن) من تمدد الأقطاب واختزالها، في حين أن الدورات العميقة تؤدي إلى تغيرات هيكلية أكثر تطرفًا تشجع على تشقق الكاثود وعدم استقرار واجهات الإلكتروليت.
أظهرت الدراسات أن البطاريات التي تتعرض لعمق تفريغ 100% (DoD) تفقد سعتها بمعدل ثلاث مرات أسرع مقارنة بتلك التي تعمل بدورة تفريغ بنسبة 50% DoD. وتعكس أفضل الممارسات الصناعية هذا الأمر، حيث تؤكد على أهمية التفريغ الجزئي لمنع تدهور الشبكة البلورية في المواد الفعالة.
تتبع العلاقة بين عمق التفريغ وعمر الدورة اتجاهًا لوغاريتميًا:
| عمق التفريغ (DOD) | متوسط عمر الدورة (ليثيوم-أيون) |
|---|---|
| 100% | 300–500 دورة |
| 80% | 600–1,000 دورة |
| 50% | 1,200–2,000 دورة |
| 20% | أكثر من 3000 دورة |
إن الحفاظ على تفريغ البطارية عند عمق تفريغ يبلغ حوالي 50٪ يحمي في الواقع البنية البلورية داخل تلك الكاثودات المصنوعة من النيكل والمنغنيز والكوبالت، ويبقي الأمور مستقرة على المستوى الأيوني. وأظهرت أبحاث من العام الماضي نتائج مثيرة للاهتمام أيضًا. عندما تم استخدام البطاريات عند حوالي نصف سعتها، حافظت على نحو 92٪ من طاقتها الأصلية حتى بعد المرور بـ 1000 دورة شحن. ولكن عندما سمح الناس بتفريغها بالكامل في كل مرة، فقدت نفس البطاريات ما يقارب 40٪ من سعتها بحلول الدورة رقم 400. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا. بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها الاعتماد عليها أمرًا بالغ الأهمية، مثل المعدات الطبية المنقذة للحياة أو تخزين الطاقة الشمسية، فإن هذه الطريقة القائمة على التفريغ الجزئي تُحقق فوائد كبيرة على المدى الطويل.
تُفقد بطاريات الليثيوم أيون كفاءتها بسرعة أكبر عندما تُترك عند مستويات جهد عالية، خاصة حول علامة 4.2 فولت لكل خلية. وفقًا لبعض الدراسات الحديثة، فإن الحفاظ على شحن البطارية بين 20٪ و80٪ يقلل من الإجهاد الكيميائي داخل خلايا البطارية بنحو الثلثين مقارنةً بإفراغها تمامًا ثم شحنها بالكامل (كما ذُكر في دراسة بطاريات جيفرسون الصناعية في ويسكونسن عام 2023). حتى فترات قصيرة من الشحن الزائد يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة الداخلية إلى مستويات خطيرة، مما يزيد من احتمالية حدوث شيء سيء جدًا يُعرف باسم الانطلاق الحراري. وعلى الرغم من أن العديد من الشواحن الأحدث تتحول فعليًا إلى وضع شحن أبطأ بمجرد الوصول إلى حوالي 80٪، فإن ترك البطاريات متصلة بعد اكتمال الشحن لفترة طويلة لا يزال يؤدي إلى تحلل محلول الإلكتروليت الداخلي. ولهذا السبب غالبًا ما يقوم المستخدمون الأذكياء بفصل أجهزتهم قبل أن تشير العلامة إلى اكتمال الشحن تمامًا.
الحرارة تُعدّ من العوامل الرئيسية المساهمة في تدهور البطاريات. فمع كل زيادة قدرها 8°م (15°ف) فوق 35°م (95°ف)، يتضاعف معدل التقادم. أظهرت دراسة أجرتها مختبرات آيداهو الوطنية (2022) أن بطاريات الليثيوم أيون التي تم شحنها عند 40°م فقدت 50٪ من سعتها في نصف عدد الدورات مقارنة بتلك التي تعمل عند 20°م. ويمكن اتخاذ إجراءات وقائية بسيطة للمساعدة:
غالبًا ما تفتقر الشواحن الرديئة إلى تنظيم الجهد المناسب، مما يعرض البطاريات لتقلبات ضارة. كشف تقرير صناعي لعام 2024 أن 78٪ من شواحن USB-C غير المعتمدة تجاوزت حدود الجهد الآمنة بأكثر من 10٪. ولحماية صحة البطارية، اختر شواحن تحمل:
ينبع هذا الاعتقاد من بطاريات النيكل والكادميوم القديمة، التي كانت تعاني من ظاهرة 'تأثير الذاكرة'. أما بطاريات الليثيوم-أيون الحديثة فهي تعمل بأفضل أداء مع عمليات الشحن الجزئية المتكررة. إن التفريغ العميق يزيد من الإجهاد الكهروكيميائي ويُسرّع فقدان السعة. على سبيل المثال، فإن تدوير الشحن بين 40% و80% يقلل من التدهور بنسبة 30% مقارنة بالدورات الكاملة من 0% إلى 100%.
تُعد أنظمة إدارة البطاريات الحديثة فعالة في منع الشحن الزائد، ولكن الاحتفاظ بالبطارية مشحونة بالكامل عند 100٪ لفترات طويلة، وخاصة أثناء الشحن الليلي، لا يزال يُسبب إجهادًا إضافيًا للمكونات الكيميائية داخل البطارية. كما أظهرت اختبارات التصوير الحراري الحديثة لعام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام. فقد سجلت البطاريات التي بقيت متصلة أثناء النوم طوال الليل درجة حرارة داخلية أعلى بحوالي 8 درجات مئوية مقارنة بتلك التي تم شحنها على دفعات قصيرة خلال اليوم. ويجد معظم الناس أن فصل الشاحن عندما تصل شحنة الجهاز إلى حوالي 80-90٪ هو الأفضل للاستخدام اليومي. يقلل هذا الأسلوب من المدة التي تظل فيها خلايا البطارية تحت ظروف جهد عالٍ، مما يساعد على الحفاظ على عمرها الافتراضي مع مرور الوقت.
إن التفريغ الجزئي يطيل عمر البطارية بشكل كبير — حيث يوفر عمق تفريغ بنسبة 50٪ ما يقارب ضعف عدد الدورات مقارنةً بالتفريغ الكامل. اعتمد هذه العادات:
يُنتج الشحن السريع ما يصل إلى 40٪ أكثر حرارةً مقارنةً بالشحن القياسي، مما يزيد من الإجهاد الحراري على مواد الأنود. تُظهر اختبارات الشيخوخة المتسارعة أن ذلك يمكن أن يؤدي إلى تدهور المكونات أسرع بـ 2.3 مرة. استخدم الشحن السريع فقط عند الضرورة، وقم بإزالة الأغطية الواقية أثناء الجلسات عالية السرعة لتحسين تبديد الحرارة والحفاظ على سلامة البطارية.