روش‌هایی برای افزایش طول عمر باتری‌های شارژی / بخش اول

مراقبت مناسب عمر باتری لیتیوم یونی را افزایش می دهد!

طول عمر باتری لیتیوم یونی به شیمی باتری، عمق تخلیه، دمای باتری و سطح پایان ظرفیت (Capacity Termination) باتری بستگی دارد.

باتری‌های قابل شارژ لیتیوم یون و لیتیوم یون پلیمر در همه‌جا وجود دارند و دلیل آن به خوبی قابل توجیه است. در مقایسه با سایر باتری‌های قابل شارژ، باتری‌های لیتیوم یون دارای چگالی انرژی بالاتر، ولتاژ سلولی بالاتر، ضریب تخلیه کم و عمر چرخه بسیار خوبی هستند و سازگار با محیط زیست و همچنین قابلیت شارژ و نگهداری ساده هستند. همچنین، به دلیل ولتاژ نسبتا بالا (2.9 ولت تا 4.2 ولت)، بسیاری از محصولات قابل حمل می توانند با یک باتری واحد کار کنند و در نتیجه طراحی کلی محصول را ساده می‌کنند.

بسته به کاربرد، می‌توان بحث کرد که مهم‌ترین ویژگی یک باتری چیست. تاکید زیادی بر افزایش ظرفیت باتری لیتیوم یونی برای ارائه طولانی‌ترین زمان کارکرد در کوچک‌ترین اندازه فیزیکی شده است. البته مواردی هم وجود دارد که عمر باتری بیشتر، افزایش تعداد چرخه‌های شارژ یا باتری ایمن‌تر از ظرفیت باتری مهم‌تر است.

قبل از پرداختن به نقش شارژر باتری در افزایش عمر باتری، اجازه دهید ویژگی‌های باتری لیتیوم یون را بررسی کنیم. (پیش‌تر در این مطلب به طور کامل به باتری لیتیوم یونی پرداخته‌ایم) لیتیوم یکی از سبک ترین فلزات است، یکی از واکنش‌پذیرترین فلزات است و دارای بالاترین پتانسیل الکتروشیمیایی است که آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای استفاده در باتری‌ها تبدیل می‌کند. یک باتری لیتیوم یونی در واقع حاوی فلز لیتیوم نیست، اما در عوض از یون‌های لیتیوم استفاده می‌کند که به ترتیب بین کاتُد و آنُد باتری در هنگام شارژ و دشارژ رفت و برگشت می‌کنند.

اگرچه انواع مختلفی از باتری لیتیوم یونی وجود دارد، اما محبوب‌ترین شیمی‌هایی که اکنون تولید می‌شوند را می‌توان در سه مورد خلاصه کرد که همگی به مواد کاتدی مربوط می‌شوند.

شیمی لیتیوم کبالت در لپ‌تاپ‌ها، دوربین‌ها و تلفن‌های همراه بیشتر به دلیل ظرفیت شارژ بیشتر آن محبوبیت پیدا کرده است.

سایر شیمی‌ها در محصولات نیازمند به جریان‌های تخلیه بالا یا محصولات با ایمنی بالا یا محصولاتی که که هزینه تولید آنها مهم است کاربرد دارند. هم‌چنین، باتری‌های هیبریدی لیتیوم یونی جدید بر اساس ترکیبی از مواد کاتدی که بهترین ویژگی‌های هر شیمی را دارند، در حال توسعه و ساخت هستند.

برخلاف سایر مواد شیمیایی باتری، فناوری باتری لیتیوم یونی هنوز به بلوغ کافی نرسیده است. تحقیقات در مورد انواع جدیدی از باتری‌ها ادامه دارد که حتی نسبت به باتری‌های امروزی دارای ظرفیت بالاتر، عمر طولانی‌تر و عملکرد بهتری هستند.

باتری‌های لیتیوم یون پلیمری

با ویژگی‌های مشابه باتری لیتیوم یون استاندارد، می‌توانید باتری پلیمری لیتیوم یون را به روشی مشابه شارژ و تخلیه کنید. تفاوت اصلی بین این دو این است که یک پلیمر رسانای یون جامد جایگزین الکترولیت مایع مورد استفاده در باتری لیتیوم یونی استاندارد می‌شود، اگرچه اکثر باتری‌های پلیمری حاوی خمیر الکترولیت برای کاهش مقاومت سلولی داخلی هستند. حذف الکترولیت مایع به باتری پلیمری اجازه می‌دهد تا به‌جای جای محفظه فلزی سنگین مورد نیاز برای باتری‌های لیتیوم یون استاندارد، در یک کیسه فویل قرار گیرد.

باتری‌های لیتیوم یون پلیمری به دلیل انعطاف‌پذیری در تولید، بسیار مقرون‌به‌صرفه‌ بوده و روز به روز محبوبیت بیشتری پیدا می‌کنند. این خصوصیات به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا این باتری‌ها را در اشکال مختلف، از جمله بسیار نازک، تولید کنند.

تمامی باتری‌های قابل شارژ روزی فرسوده می‌شوند و باتری‌های Li-ion نیز از این قاعده مستثنی نیستند. سازندگان باتری معمولاً پایان عمر باتری را زمانی در نظر می‌گیرند که ظرفیت باتری به 80 درصد ظرفیت اسمی آنها کاهش یابد. با این حال، باتری‌های فرسوده هنوز هم می‌توانند توان قابل استفاده کمتر از 80 درصد ظرفیت شارژ را ارائه دهند، اگرچه زمان کار کوتاه‌تری قابل استفاده خواهند بود.

معمولاً هنگام اشاره به عمر باتری از تعداد چرخه‌های شارژ/دشارژ استفاده می‌شود، اما عمر چرخه و عمر باتری می‌تواند متفاوت باشد. شارژ و دشارژ در نهایت باعث کاهش مواد فعال باتری و ایجاد تغییرات شیمیایی دیگر و در نتیجه افزایش مقاومت داخلی و از دست دادن ظرفیت دائمی می‌شود. اما از دست دادن ظرفیت دائمی حتی زمانی که باتری استفاده نمی‌شود نیز رخ می‌دهد. از دست دادن ظرفیت دائمی در دماهای بالا با ولتاژ باتری در 4.2 ولت (کاملا شارژ) بیشتر اتفاق می‌افتد.

برای حداکثر عمر ذخیره‌سازی، باتری‌ها باید با 40 درصد شارژ (3.6 ولت) در دمای حدود 4.5 درجه سانتی‌گراد (مانند دمای یخچال) نگهداری شوند.

روش‌های افزایش عمر باتری

معمولاً ترکیبی از چندین عامل باعث افزایش یا کاهش عمر باتری می‌شود. برای افزایش عمر باتری از این روش‌ها پیروی کنید:

• از چرخه‌های تخلیه جزئی استفاده کنید

استفاده از تنها 20% یا 30% از ظرفیت باتری قبل از شارژ مجدد، عمر چرخه را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. به عنوان یک قانون کلی، 5 تا 10 سیکل تخلیه کم عمق برابر با یک سیکل تخلیه کامل است. اگرچه چرخه‌های تخلیه جزئی می‌تواند به هزاران عدد برسد، نگه داشتن باتری در حالت کاملاً شارژ نیز عمر باتری را کوتاه می‌کند. در صورت امکان باید از چرخه های تخلیه کامل (تا 2.5 ولت یا 3 ولت، بسته به مواد شیمیایی) اجتناب شود.

• از شارژ باتری تا 100 درصد ظرفیت خودداری کنید

کاهش ولتاژ شناور باعث افزایش عمر چرخه و عمر مفید باتری می‌شود. افت ولتاژ شناور از 100 تا 300 میلی ولت می تواند عمر چرخه را از دو تا پنج برابر یا بیشتر افزایش دهد. باتری‌های لیتیوم یون کبالت نسبت به سایر مواد شیمیایی به ولتاژ شناور بالاتر حساس‌تر است. باتری‌های فسفات لیتیوم یون معمولاً ولتاژ شناور کمتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یون معمولی دارند.

• روش قطع شارژ صحیح را انتخاب کنید

انتخاب شارژری که از حداقل پایان جریان شارژ استفاده می‌کند نیز می‌تواند عمر باتری را با شارژ نکردن تا 100 درصد ظرفیت افزایش دهد. به عنوان مثال، پایان دادن به یک شارژ زمانی که جریان به C/5 کاهش می‌یابد، شبیه کاهش ولتاژ شناور به 4.1 ولت است. در هر دو مورد، باتری تنها تا حدود 85 درصد ظرفیت شارژ می‌شود که عامل مهمی در افزایش طول عمر باتری است.

• دمای باتری را کنترل کنید

کنترل کردن دمای باتری، عمر باتری را افزایش می‌دهد، به ویژه ممنوعیت شارژ در دمای زیر 0 درجه سانتی گراد! شارژ در دمای کمتر از 0 درجه سانتیگراد باعث افزایش آب‌کاری فلز در آند باتری می شود که می‌تواند به یک اتصال کوتاه داخلی تبدیل شود و گرما تولید کند و باتری را ناپایدار و ناایمن کند.

همچنین بسیاری از شارژرهای هوشمند باتری دارای مقرراتی برای اندازه گیری دمای باتری هستند تا اطمینان حاصل شود که شارژ در دمای بالا انجام نمی‌شود.

• از جریان‌های شارژ و دشارژ زیاد خودداری کنید

جریان‌های شارژ و دشارژ زیاد عمر چرخه را کاهش می‌دهد. برخی از باتری‌ها مانند لیتیوم یون منگنز و فسفات لیتیوم یون برای جریان‌های بالاتر مناسب تر هستند. جریان‌های زیاد فشار زیادی به باتری وارد می‌کنند.

• از تخلیه بسیار عمیق (زیر 2 ولت یا 2.5 ولت) خودداری کنید.

تخلیه‌های بسیار عمیق به سرعت و برای همیشه به باتری لیتیوم یون آسیب می‌رساند. ذوب شدن فلز داخلی باتری ممکن است باعث اتصال کوتاه شود و باتری را غیرقابل استفاده و ناایمن کند. اکثر باتری‌های لیتیوم یونی دارای مدارهای حفاظتی در بسته‌های باتری خود هستند که اگر ولتاژ باتری کمتر از 2.5 ولت یا بیشتر از 4.3 ولت باشد، یا اگر جریان باتری در هنگام شارژ یا دشارژ از حد آستانه از پیش تعریف شده فراتر رود، اتصال را قطع می‌کند.

ادامه دارد…

منبع: Power Electronics