عادت‌های شارژ که عمر باتری‌های قابل شارژ را افزایش می‌دهند

تأثیر الگوهای شارژ بر عمر باتری‌های قابل شارژ

درک تنش الکتروشیمیایی ناشی از عادات شارژ

باتری‌های قابل شارژ پس از هر چرخه شارژ مقدار کمی فرسودگی تجربه می‌کنند، زیرا یون‌ها در داخل آن‌ها حرکت می‌کنند و الکترودها در حین شارژ شدن منبسط می‌شوند. وقتی سلول‌های لیتیومی در سطوح حدی کار کنند، یعنی تقریباً خالی یا کاملاً پر، این امر باعث ایجاد تنش اضافی روی آند باتری می‌شود. طبق تحقیقات آزمایشگاه انرژی تجدیدپذیر ملی در سال ۲۰۲۰، این نوع استفاده می‌تواند ظرفیت باتری را تا ۲۴ درصد در سال نسبت به حالت تعادل کاهش دهد. مشکل زمانی بدتر می‌شود که دستگاه‌ها به طور منظم از ۹۰ درصد شارژ فراتر روند، زیرا این امر منجر به پدیده‌ای به نام پوشش لیتیومی (lithium plating) می‌شود که یکی از دلایل اصلی کاهش عملکرد باتری در طول زمان است.

شارژ جزئی در مقابل تخلیه کامل: چرا چرخه‌های کم‌عمق عمر باتری را افزایش می‌دهند

نگه‌داری باتری‌های لیتیوم-یونی در محدوده شارژ تقریبی ۳۰ تا ۷۰ درصد به جلوگیری از تشکیل کریستال‌های مزاحم روی الکترودها کمک می‌کند و این تشکیلات را حدود ۴۰ درصد نسبت به حالتی که باتری کاملاً از ۰ به ۱۰۰ درصد شارژ و دشارژ می‌شود، کاهش می‌دهد. وزارت انرژی در سال ۲۰۱۹ این موضوع را بررسی کرد و یافته‌های جالبی داشت: آزمایش‌های آن‌ها نشان داد که زمانی که این باتری‌ها تنها تا حدود نیمی از ظرفیت خود (حدود ۵۰ درصد) دشارژ شوند، قبل از رسیدن به ۸۰ درصد از ظرفیت اولیه‌شان، بین ۱۲۰۰ تا ۱۵۰۰ چرخه شارژ را تحمل می‌کنند. این عدد در مقایسه با تنها ۵۰۰ چرخه در حالت دشارژ کامل مکرر، پیشرفت قابل توجهی است. سازندگان خودرو نیز متوجه این موضوع شده‌اند. بسیاری از خودروهای برقی اکنون شارژ سریع را به ۸۰ درصد محدود می‌کنند تا از سلامت باتری‌های گران‌قیمت خود در طول زمان اطمینان حاصل کنند. تسلا، نیسان و دیگران همگی از راهبردهای مشابهی در طراحی خودروهای الکتریکی (EV) خود استفاده می‌کنند.

تعریف عمر چرخه باتری و وابستگی آن به رفتار کاربر

هنگامی که از یک چرخه باتری صحبت می‌کنیم، در واقع به معنای استفاده از ۱۰۰٪ کل ظرفیت شارژ باتری است، صرف‌نظر از اینکه این اتفاق یک‌باره زمانی که دستگاه کاملاً تخلیه شود رخ دهد یا از طریق چندین بار شارژ کوچک در طول روز. نحوه‌ای که باتری‌های مدرن این فرسودگی را ردیابی می‌کنند، توضیح می‌دهد که چرا افراد مختلف حتی با داشتن دقیقاً یک مدل دستگاه، تجربه‌های بسیار متفاوتی از عمر باتری دستگاه خود دارند. افرادی که تمایل دارند دستگاه خود را به صورت قطعات کوچک شارژ کنند، معمولاً پس از حدود ۵۰۰ چرخه شارژ کامل متوجه می‌شوند که باتری هنوز حدود ۹۲٪ از توان اولیه خود را حفظ کرده است. در مقایسه با افرادی که به طور منظم باتری دستگاه خود را تا صفر درصد تخلیه می‌کنند و دستگاه‌های آن‌ها پس از استفاده مشابه اغلب تنها به ۷۶٪ ظرفیت اولیه می‌رسند، بر اساس برخی آزمایش‌های انجام‌شده توسط Consumer Reports در سال ۲۰۲۲.

محدوده بهینه شارژ برای بیشینه‌کردن طول عمر باتری‌های قابل شارژ

حفظ محدوده شارژ بین ۲۰٪ تا ۸۰٪ برای کاهش پیری باتری

نگه‌داشتن باتری‌های لیتیوم-یونی در محدوده ۲۰٪ تا ۸۰٪ ظرفیت شارژ، به‌طور قابل‌توجهی استرس الکتروشیمیایی را که طی زمان بر آن‌ها وارد می‌شود کاهش می‌دهد. با توجه به یافته‌های اخیر دانشگاه باتری (Battery University) در سال ۲۰۲۳، هنگامی که ولتاژ شارژ را در حدود ۳٫۹۲ ولت در هر سلول (که معادل تقریبی ۶۵٪ ظرفیت شارژ است) محدود کنیم، عمر این باتری‌ها قبل از نیاز به تعویض به‌مراتب طولانی‌تر می‌شود. به جای ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه معمول در سطح شارژ کامل ۴٫۲ ولت در هر سلول، این روش تا حدود ۲٬۴۰۰ چرخه عمر باتری را افزایش می‌دهد. علت عملکرد خوب این روش چیست؟ این روش از دو مشکل عمده که عمر باتری را کوتاه می‌کنند جلوگیری می‌کند: رسوب لیتیوم روی الکترود منفی (آنود) و اکسیداسیون در ماده کاتد. این فرآیندها در واقع عامل اصلی کاهش عملکرد باتری‌ها در طول زمان هستند.

راهبردهای پیشرفته محدوده شارژ (مثلاً ۷۵٪–۲۵٪ ظرفیت شارژ)

افرادی که بیشتر به طول عمر باتری اهمیت می‌دهند تا استفاده از آخرین لحظه از زمان کارکرد دستگاه‌هایشان، ممکن است تمایل داشته باشند سطح شارژ باتری را بین ۲۵٪ تا ۷۵٪ نگه دارند. این روش نوسانات روزانه ولتاژ را حدود ۳۵٪ کاهش می‌دهد و به این ترتیب رشد لایه SEI روی سلول‌های باتری را کند می‌کند. لایه SEI در واقع عامل اصلی فرسودگی باتری‌ها در طول زمان است. البته این روش به معنای از دست دادن حدود ۱۵ تا ۲۰٪ از ظرفیت قابل استفاده در هر لحظه است، اما برای دستگاه‌هایی که تمام روز استفاده نمی‌شوند، مانند سیستم‌های پشتیبان برق یا تجهیزات فصلی، مزیت آن بسیار قابل توجه است. برخی آزمایش‌ها نشان می‌دهند که باتری‌هایی که در این محدوده کوچک‌تر کار می‌کنند، در طول عمر کلی خود می‌توانند سه برابر انرژی بیشتری تحویل دهند.

خطرات شارژ بالا و شارژ کامل مکرر

وقتی باتری‌های لیتیومی برای مدت طولانی در سطح شارژ بالاتر از ۸۰٪ نگه داشته شوند، به دلیل افزایش مقاومت داخلی و تجمع حرارت درون سلول‌ها، خیلی سریع‌تر دچار فرسودگی می‌شوند. علم پشت این موضوع نشان می‌دهد که شارژ کامل تا ۱۰۰٪ (به ازای ۴٫۲ ولت در هر سلول) در مقایسه با نگه داشتن ولتاژ در حدود ۴٫۰ ولت، عمر باتری را تقریباً نصف می‌کند. با نگاه به دستگاه‌های واقعی مانند گوشی‌های هوشمند، کسی که هر روز گوشی خود را تا ۱۰۰٪ شارژ می‌کند، ممکن است بعد از تنها دوازده ماه متوجه شود که باتری فقط حدود ۷۳٪ از ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده است. اما اگر فرد دیگری عادت کند شارژ را در ۸۰٪ متوقف کند، احتمالاً باتری گوشی او پس از یک سال استفاده منظم، بازدهی بیش از ۹۰٪ را حفظ خواهد کرد.

عمق تخلیه و تأثیر آن بر عمر چرخه باتری‌های قابل شارژ

چرا تخلیه‌های جزئی کمتر از چرخه‌های کامل به باتری آسیب می‌زنند

تفريغ‌های جزئی با کاهش تنش مکانیکی در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ، از فشار روی مواد باتری کاسته می‌شوند. استفاده سطحی (مثلاً ۲۰ تا ۴۰ درصد تخلیه قبل از شارژ مجدد) انبساط و انقباض الکترودها را محدود می‌کند، در حالی که چرخه‌های عمیق تغییرات ساختاری شدیدتری ایجاد می‌کنند که منجر به ترک خوردن کاتدها و ناپایداری در رابط‌های الکترولیت می‌شوند.

مطالعات نشان می‌دهند که باتری‌هایی که تحت عمق تخلیه ۱۰۰٪ (DoD) قرار می‌گیرند، ظرفیت خود را سه برابر سریع‌تر نسبت به باتری‌هایی که در عمق تخلیه ۵۰٪ کار می‌کنند، از دست می‌دهند. روش‌های بهتر صنعت این موضوع را منعکس می‌کنند و بر تخلیه‌های جزئی برای جلوگیری از تخریب شبکه بلوری در مواد فعال تأکید دارند.

بینش داده: عمق تخلیه ۵۰٪ می‌تواند عمر چرخه‌ای را نسبت به ۱۰۰٪ دو برابر کند

رابطه بین عمق تخلیه و عمر چرخه‌ای دارای روند لگاریتمی است:

نگه داشتن تخلیه باتری در حدود 50 درصد عمق تخلیه در واقع ساختار کریستالی داخل کاتدهای نیکل-منگنز-کبالت را محافظت می‌کند و ثبات را در سطح یونی حفظ می‌کند. تحقیقات سال گذشته نتایج جالبی نیز نشان داد. وقتی باتری‌ها در حدود نصف ظرفیت خود استفاده می‌شدند، حتی پس از 1000 چرخه شارژ، حدود 92 درصد از توان اولیه خود را حفظ می‌کردند. اما زمانی که کاربران هر بار آن‌ها را کاملاً تخلیه می‌کردند، همین باتری‌ها تا چرخه 400 تقریباً 40 درصد از ظرفیت خود را از دست می‌دادند. این تفاوت بسیار مهم است. برای کاربردهایی که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، مثل تجهیزات پزشکی نجات‌بخش یا ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، این روش چرخه‌ای کوتاه در بلندمدت بسیار سودمند است.

ولتاژ، دما و کیفیت شارژر: عوامل خارجی مؤثر بر باتری‌های قابل شارژ

ولتاژ بهینه شارژ و اجتناب از خطر بیش‌ازحد شارژ کردن

باتری‌های لیتیوم یونی زمانی که در سطوح ولتاژ بالا نگهداری می‌شوند، به ویژه حدود 4.2 ولت در هر سلول، سریع‌تر دچار فرسودگی می‌شوند. بر اساس برخی مطالعات اخیر، نگه‌داشتن شارژ باتری در محدوده بین ۲۰٪ تا ۸۰٪، تنش شیمیایی داخل سلول‌های باتری را در مقایسه با شارژ کامل از حالت خالی تا پر (همان‌طور که در مطالعه باتری صنعتی جفرسون وی آی در سال 2023 ذکر شده است) حدود دو سوم کاهش می‌دهد. حتی دوره‌های کوتاهی از شارژ اضافی می‌توانند باعث افزایش خطرناک دمای داخلی شوند که احتمال وقوع پدیده بسیار خطرناکی به نام گریز حرارتی (thermal runaway) را افزایش می‌دهد. هرچند بسیاری از شارژرهای جدید پس از رسیدن به حدود ۸۰٪ به حالت شارژ آهسته تغییر می‌دهند، اما اتصال طولانی‌مدت باتری‌ها پس از پر شدن همچنان منجر به تجزیه محلول الکترولیت درون آن‌ها می‌شود. به همین دلیل کاربران هوشمند اغلب دستگاه‌های خود را قبل از اینکه نمایشگر کاملاً پر را نشان دهد، از برق جدا می‌کنند.

تأثیرات دما: نگه‌داری باتری‌ها در دمای پایین در حین شارژ

گرما عامل اصلی تخریب باتری است. برای هر ۸ درجه سانتی‌گراد (۱۵ درجه فارنهایت) بالاتر از ۳۵ درجه سانتی‌گراد (۹۵ درجه فارنهایت)، نرخ پیر شدن دو برابر می‌شود. مطالعه‌ای از آزمایشگاه ملی آیداهو (۲۰۲۲) نشان داد که باتری‌های لیتیوم-یونی که در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کردند، در نصف تعداد سیکل‌های عملیاتی نسبت به باتری‌هایی که در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کردند، ۵۰٪ از ظرفیت خود را از دست دادند. اقدامات ساده‌ای می‌تواند کمک کند:

• از شارژ کردن در معرض نور مستقیم خورشید خودداری کنید
• در حین شارژ، کاور دستگاه را بردارید
• پس از شارژ سریع، ۳۰ دقیقه زمان برای خنک‌شدن دستگاه بگذارید
  محدوده دمای ایده‌آل برای شارژ و نگهداری باتری بین ۱۵ تا ۲۷ درجه سانتی‌گراد (۶۰ تا ۸۰ درجه فارنهایت) است که در آن پایداری شیمیایی و تحرک یون‌ها به‌صورت بهینه متعادل می‌شود.

استفاده از شارژرهای با کیفیت بالا و پرهیز از بانک‌های قدرت قابل حمل ناپایدار

شارژرهای با کیفیت پایین اغلب فاقد تنظیم ولتاژ مناسب هستند و باتری را در معرض نوسانات مخرب قرار می‌دهند. گزارش صنعتی سال ۲۰۲۴ نشان داد که ۷۸ درصد از شارژرهای USB-C غیرمعتبر، حداقل ۱۰ درصد از حدولتاژ ایمن را تجاوز می‌کردند. برای حفظ سلامت باتری، شارژرهایی را انتخاب کنید که دارای:

• گواهی‌نامه‌های ایمنی UL/CE باشند
• خروجی ولتاژ تطبیقی سازگار با دستگاه شما
• مانیتورینگ دمای داخلی
  به همین ترتیب، بسیاری از پاوربانک‌های قابل حمل در آزمون‌های پایه‌ای پایداری شکست می‌خورند—طبق گزارش ابتکار ایمنی باتری (2023)، 31٪ از مدل‌های آزمایش‌شده رد شدند. همچنین از شارژ کردن از طریق پریز ماشین در هنگام استارت موتور خودداری کنید، زیرا نوسانات ولتاژ می‌تواند از 15 ولت فراتر رود و به الکترونیک‌های حساس آسیب برساند.

رد کردن افسانه‌های رایج و بهینه‌سازی عادات شارژ واقعی برای باتری‌های قابل شارژ

افسانه: «باید باتری را کاملاً تخلیه کنید قبل از شارژ مجدد»

این سوءتفاهم از باتری‌های قدیمی نیکل-کادمیومی نشأت می‌گیرد که دچار «اثر حافظه» می‌شدند. باتری‌های لیتیوم-یونی مدرن با شارژهای مکرر و جزئی بهترین عملکرد را دارند. تخلیه عمیق باعث افزایش تنش الکتروشیمیایی و تسریع از دست دادن ظرفیت می‌شود. به عنوان مثال، چرخه شارژ بین 40٪ تا 80٪ در مقایسه با چرخه کامل 0٪ تا 100٪، فرسودگی را تا 30٪ کاهش می‌دهد.

از شارژ شب استراحت کنید تا تنش طولانی‌مدت ولتاژ بالا کاهش یابد

سیستم‌های مدرن مدیریت باتری از شارژ اضافی جلوگیری می‌کنند، اما نگه داشتن باتری در سطح ۱۰۰٪ برای مدت طولانی، به‌ویژه شارژ کردن در طول شب، همچنان تنش اضافی بر اجزای شیمیایی درون باتری وارد می‌کند. آزمایش‌های اخیر تصویربرداری حرارتی در سال ۲۰۲۳ چیز جالبی نشان دادند. باتری‌هایی که در حین خوابیدن در طول شب به شارژر متصل می‌ماندند، حدود ۸ درجه سانتی‌گراد گرم‌تر از باتری‌هایی که در طول روز در دفعات کوتاه شارژ می‌شدند، دمای داخلی بالاتری داشتند. بیشتر مردم دریافته‌اند که قطع شارژ کردن زمانی که دستگاه به حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد شارژ برسد، برای استفاده روزمره بهترین عملکرد را دارد. این روش مدت زمانی که سلول‌های باتری تحت شرایط ولتاژ بالا قرار می‌گیرند را کاهش می‌دهد و به حفظ عمر باتری در طول زمان کمک می‌کند.

نکات عملی روزانه: قبل از اینکه سطح باتری به زیر ۱۰٪ برسد، شارژ کنید

تفاله‌های کم عمق عمر باتری را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند — تخلیه تا ۵۰٪ عمق، تقریباً دو برابر تعداد سیکل‌های بیشتری نسبت به تخلیه کامل ایجاد می‌کند. این عادات را به خود بگیرید:

• هنگامی که باتری به ۲۰٪ تا ۳۰٪ رسید، دوباره شارژ کنید
• شارژ کامل را فقط به نیازهای محدود و دورهای کالیبراسیون محدود کنید
• ظرف ۳۰ دقیقه پس از رسیدن به سطح هدف، دستگاه را قطع کنید

مبادله در شارژ سریع: راحتی در برابر سلامت بلندمدت باتری

شارژ سریع تا ۴۰ درصد بیشتر از شارژ استاندارد گرما تولید می‌کند و باعث افزایش تنش حرارتی روی مواد آند می‌شود. آزمون‌های پیری شتاب‌دهی شده نشان می‌دهند که این امر می‌تواند فرسودگی قطعات را تا ۲٫۳ برابر تسریع کند. از شارژ سریع تنها در صورت ضرورت استفاده کنید و در جلسات پرسرعت، کیف‌های محافظ را بردارید تا انتقال گرما بهبود یابد و یکپارچگی باتری حفظ شود.