EN
קישורים מהירים
סוללות הניתנות להטענה עוברות כשלים זעירים לאחר כל מחזור טעינה מכיוון שיונים נעים בתוכן והאלקטרודות מתרחבות במהלך הטעינה. כאשר תאי ליתיום-יון פועלים ברמות קיצוניות, בין אם כמעט ריק ובין אם מלאים לחלוטין, הם מפעילים לחץ נוסף על האנודה של הסוללה. לפי מחקר של המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת משנת 2020, שימוש מסוג זה יכול לצמצם את הקיבולת של הסוללה עד 24% בשנה בהשוואה לשמירה על איזון. הבעיה מתעצמת כאשר התקנים ממשיכים להיטען מעל 90% באופן קבוע, שכן מצב זה גורם לתופעה הנקראת ציפוי ליתיום, שהיא אחת הסיבות העיקריות לכך שסוללות מאבדות את יעילותן עם הזמן.
שמירה של סוללות ליתיום-יון ברמה של כ-30% עד 70% עוזרת למנוע את יישוריות הגבישים המטרידות על האלקטרודות, ומצמצמת אותן בקרוב ל-40% בהשוואה להפעלה מהירה מה-0 עד 100%. משרד האנרגיה חקר את הנושא בשנת 2019 ומצא משהו מעניין: המבחנים שלהם הראו שכאשר סוללות אלו מפרקות רק בחצי (בערך 50%), הן עמידות בין 1,200 ל-1,500 מחזורי טעינה לפני שהן מגיעות ל-80% בלבד מכושרתן המקורית. זהו קפיצה משמעותית לעומת 500 המחזורים בלבד שאנו רואים כאשר הסוללות עוברים מחזורי פריקה מלאים שוב ושוב. גם יצרני רכבים שם לבו לכך. כיום, רבים מרכבי התחמוצת מגבילים את הטעינה המהירה ל-80% כחלק מאסטרטגיה לשמירה על הבריאות של חבילות הסוללות היקרות לאורך זמן. טסלה, ניסאן ואחרים משתמשים בטקטיקות דומות בעיצוב רכבי ה- EV שלהם.
| עומק פריקה | מחזור חיים ממוצע | שמירת קיבולת לאחר 3 שנים |
|---|---|---|
| 100% (מלא) | 500 מחזורים | 65%-70% |
| 50% | 1,200 מחזורי טעינה | 85%-88% |
כשאנו מדברים על מחזור סוללה, אנו מתבוננים בעצם בשימוש של 100% מהטעינה הכוללת של הסוללה, בין אם זה קורה בבת אחת כשהמכשיר נגמר לחלוטין, או באמצעות טעינות קטנות יותר במהלך היום. הדרך בה סוללות מודרניות עוקבות אחר ההתדרדרות הזו מסבירה מדוע אנשים יכולים לחוות חוויות שונות מאוד מבחינת חיי הסוללה של המכשיר, גם אם הם שותפים לאותו מודל בדיוק. אנשים שנוטים לטעון את המכשירים שלהם במקטעים קטנים לרוב מגיחים עם סוללה שמשמרת כ-92% מכוחה המקורי לאחר כ-500 מחזורי טעינה מלאים. בהשוואה לאנשים שמורידים את רמת הסוללה לאפס באופן קבוע, שמכשיריהם לעיתים קרובות יורד ל-76% בלבד מהקיבולת לאחר שימוש דומה, לפי מבחנים שבוצעו על ידי Consumer Reports בשנת 2022.
שמירת סוללות ליתיום-יון בין 20% ל-80% מיכולת הטעינה ממש מקטינה את המתח האלקטרוכימי שהן עוברות לאורך זמן. לפי ממצאים אחרונים מ-Battery University משנת 2023, כאשר מגבילים את מתח הטעינה לבערך 3.92 וולט לתריסן, מה שמתאים בערך ל-65% מהקיבולת (SOC), הסוללות עולות בהרבה לפני צורך להחליפן. במקום 300 עד 500 מחזורי טעינה/פריקה שמגיעים עם טעינה מלאה של 4.2 וולט לתריסן, גישה זו מאפשרת להגיע לכ-2,400 מחזורים. למה זה עובד כל כך טוב? זה עוזר למנוע שתי בעיות עיקריות שמפחיתות את אורך חיי הסוללה: ציפוי ליתיום בצד האנודה ואל חמצון החומר בקתודה. תהליכים אלו הם שגרמו בעיקר לדקוגרציה של סוללות עם ההזדקנות.
| רמת טעינה (V/תריסן) | טווח מחזורי חיים | שמירה על קיבולת |
|---|---|---|
| 4.20 (100% SOC) | 300–500 | 100% |
| 3.92 (65% SOC) | 1,200–2,000 | 65% |
אנשים שמהותיים להם חיי סוללה יותר מאשר למשוך כל טיפת זמן פעולה אחרון מהמכשירים שלהם אולי ירצו לקחת בחשבון שמירה על רמת הטעינה בין 25% ל-75%. גישה זו מקטינה את תנודות המתח היומיות בכ-35%, מה שמסייע להאט את קצב גדילתו של שכבת SEI בתאי הסוללה. שכבת ה-SEI היא ביסודו של דבר מה שגורם לסוללות להידרדר עם הזמן. ברור, ששיטה זו פירושה ויתור על כ-15 עד 20% מקיבולת הזמינה בכל רגע נתון, אך לדברים שלא משמשים לאורך כל היום, כמו מערכות חירום או ציוד עונתי, התמורה היא עצומה. כמה מבחנים מראים שסוללות אלו יכולות לספק פי שלושה סך האנרגיה הכוללת במהלך מחזור החיים שלהן כאשר הן פועלות בטווח המצומצם הזה.
כשסוללות ליתיום נשארות מעל 80% עומס לאורך זמן, הן נוטות להידרדר מהר יותר מכיוון שהתנגדות פנימית עולה יחד עם הצטברות חום בתוך התאים. המדע שמאחורי זה מראה שהטענה עד 100% ב-4.2 וולט למטען ממש יוצרת מחצית של אורך חיים של הסוללה בהשוואה לשמירה עליה סביב 4.0 וולט. כשמסתכלים על מכשירים אמיתיים כמו סמרטפונים, מישהו שטוען את הטלפון שלו כל יום עד שמגיע ל-100% עלול למצוא שעבור 12 חודשים בלבד, הסוללה שומרת רק על כ-73% מכושרתה המקורית. אך אם אדם אחר יקבל את הרגל לעצור ב-80%, סביר שסוללת הטלפון תמשיך לעבוד ביעילות של למעלה מ-90% גם לאחר שנה שלמה של שימוש רגיל.
פריקות חלקיות מפחיתות את המתח על חומרי הסוללה על ידי הפחתת מתח מכני במהלך מחזורי טעינה ופריקה. שימוש רדוד (למשל, 20–40% פריקה לפני טעינה חוזרת) מגביל את הרחבת האלקטרודות והתכווצותן, בעוד שמחזורים עמוקים גורמים לשינויים מבניים קיצוניים יותר שמגבירים את סבירות הבקע בקתודות ואי-היציבות בממשק الإلكטרוליט.
מחקרים מראים שסוללות שנחשפו לעומק פריקה של 100% (DoD) מאבדות קיבולת בשלוש פעמים מהר יותר מאשר אלו שעוברים מחזורים בעומק פריקה של 50%. עקרונות עבודה מובילים בתעשייה משקפים זאת, ומדגישים פריקות חלקיות כדי למנוע פגמי מבנה בחומרים הפעילים.
הקשר בין עומק הפריקה לאורך חיי המחזור עוקב אחר מגמה לוגריתמית:
| עומק שחרור (DOD) | מتوسط אורך חיי מחזור (Li-ion) |
|---|---|
| 100% | 300–500 מחזורים |
| 80% | 600–1,000 מחזורים |
| 50% | 1,200–2,000 מחזורים |
| 20% | מעל 3,000 מחזורי טעינה |
החזקת פריקות הסוללה סביב עומק פריקה של 50% מגנה למעשה על המבנה הגבישי בתוך הקטודות של ניקל-מנגן-קוובלט ומשמרת יציבות ברמה יונית. מחקר משנת שעברה הראה תוצאות מעניינות גם כן. כאשר סוללות שומשו בערך בחצי מהקיבולת שלהן, הן שמרו על כ-92% מהכוח המקורי אפילו לאחר 1,000 מחזורי טעינה. אך כאשר אנשים הרשימו אותן להתפרק לגמרי בכל פעם, אותן סוללות איבדו כמעט 40% מקיבולתן עד מחזור מספר 400. זה מהווים הבדל משמעותי. לדברים שבהם אמינות היא החשוב ביותר, כמו ציוד רפואי מציל חיים או אחסון אנרגיה סולרית, גישה זו של מחזורי טעינה רדודים משתלמת לאורך זמן.
סוללות ליתיום יון נוטות להיבלע הכי מהר כשנשמרות ברמות מתח גבוה, במיוחד סביב סימן ה-4.2 וולט לסלוליה. לפי מחקרים אחרונים, שימור טעינת הסוללה בין 20% ל-80% מקטין את המתח הכימי בתוך תאי הסוללה בכמעט שני שלישים, בהשוואה למילוי מהיר מהריק למלא (כפי שצויין במחקר על סוללות תעשייתיות ג'פרסון WI משנת 2023). גם תקופות קצרות של טעינה יתר יכולה לגרום לטמפרטורות פנימיות לעלות לרמה מסוכנת, מה שמגביה את הסיכון לאירוע חמור הידוע כ 'ריצה תרמית'. בעוד שרבים מהמטענים החדשים מוסיפים לעבור למצב טעינה איטי לאחר שמגיעים לכ-80%, השארת הסוללות מחוברות לאחר שהן מלאות לגמרי למשך זמן ממושך עדיין תוביל לפירוק תמיסת האלקטרוליט שבפנים. מסיבה זו, משתמשים חכמים נוהגים לנתק את המכשירים שלהם לפני שהמדidor מראה טעינה שלמה.
חום הוא גורם עיקרי בדידוק הסוללה. בכל עלייה של 8 מעלות צלזיוס (15 מעלות פרנהייט) מעל 35 מעלות צלזיוס (95 מעלות פרנהייט), קצב ההזדקנות מתכפל. מחקר של המעבדה הלאומית בא이다הו (2022) הראה שסוללות ליתיום-יון שפעלו בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס איבדו 50% מהקיבולת שלהן במספר מחזורי טעינה חצי מזה של סוללות שפעלו ב-20 מעלות צלזיוס. ישנן דרכי מניעה פשוטות:
מקבילי טעינה זולים לעתים קרובות חסרים בסדיר מתח תקין, ולכן מחשפים את הסוללות לשינויים מזיקים. דוח תעשייה משנת 2024 חשף ש-78% ממקבילי הטעינה שאינם מאושרים מסוג USB-C עלו על הגבולות האפשריים של מתח ביותר מ-10%. כדי להגן על בריאות הסוללה, בחרו במקבילי טעינה עם:
השערה שגויה זו נובעת מסוללות ניקל-קדמיום ישנות, שהتأרו מאפקט הזיכרון. סוללות ליתיום-יון מודרניות עובדות בצורה הטובה ביותר עם טעינות חלקיות ותדירות. פריקות עמוקות מגדילות את המתח האלקטרוכימי ומזרזות את איבוד הקיבולת. למשל, מחזורים בין 40% ל-80% מפחיתים את התדרדרות ב-30% בהשוואה למחזורים מלאים בין 0%–100%.
מערכות ניהול סוללות מודרניות אכן עוצרות טעינה מופרזת, אך שימור הסוללה ב-100% לתקופות ארוכות, במיוחד טעינה לילה, עדיין יוצר עומס נוסף על הרכיבים הכימיים שבתוך הסוללה. מבחני הדמיה תרמית מהשנה 2023 גם כן חשפו משהו מעניין: סוללות שנשארו מחוברות במהלך הלילה חמות מבפנים בכ-8 מעלות צלזיוס בהשוואה לאלו שנטענו במקטעים קצרים יותר במהלך היום. רוב האנשים מגלים ששליפת הקונектор כאשר המכשיר מגיע לרמה של כ-80 עד 90 אחוזי טעינה הוא האופטימלי לשימוש יום יומי. גישה זו מקטינה את משך הזמן שבו תאי הסוללה נמצאים בתנאי מתח גבוה, מה שמסייע לשמר את אורך החיים שלהם לאורך זמן.
تفיקות רדודות מאריכות בצורה משמעותית את אורך חיי הסוללה – פיקות בעומק 50% מספקות כפליים בערך את מספר המחזורים בהשוואה לתפוקות מלאות. אימצו הרגלים אלו:
טעינה מהירה מייצרת עד 40% יותר חום בהשוואה לטעינה סטנדרטית, מה שמגדיל את המתח התרמי על חומרי האנודה. מבחני הזדקנות מאיצים מראים שזאת יכולה להוריד את רכיבים פי 2.3 מהר יותר. השתמש בטעינה מהירה רק כשזה הכרחי, והסר כיסויי הגנה במהלך פעימות במהירות גבוהה כדי לשפר פיזור חום ולשמור על שלמות הסוללה.