— من تصميم الخلية إلى إدارة النظام | نظرة عامة فنية على EverExceed

العمر الافتراضي لـ بطارية ليثيوم أيون يتم تحديد ذلك من خلال مجموعة من عوامل الخلية الداخلية ، ظروف التشغيل الخارجية ، و إدارة على مستوى النظام ومن بين هذه العوامل، يشكل تصميم الخلية وجودة التصنيع الأساس، بينما تؤثر استراتيجيات إدارة الإجهاد التشغيلي والبطارية بشكل مباشر على الأداء على المدى الطويل.

مع عقود من الخبرة في بطاريات الليثيوم الصناعية ، أنظمة تخزين الطاقة (ESS) ، و حلول بطاريات الليثيوم UPS ، تجاوزت كل التوقعات تستخدم مواد متطورة، وعمليات تصنيع دقيقة، وتقنيات ذكية لإدارة البطاريات والإدارة الحرارية لزيادة عمر البطارية وموثوقيتها إلى أقصى حد.

أولاً: عوامل الخلية الداخلية (التصميم والتصنيع)

تحدد هذه العوامل العمر الافتراضي الأساسي لبطارية الليثيوم أيون، ويتم تحديدها من خلال اختيار المواد وعمليات التصنيع.

1. مواد الكاثود

• نقاء المادة والبنية البلورية
  يمكن أن تؤدي الشوائب إلى تفاعلات جانبية طفيلية وتلحق الضرر بالشبكة البلورية. مادة كاملة ومستقرة بنية بلورية من نوع الأوليفين (مثل LiFePO₄) هو أساس العمر التشغيلي الطويل.

• حجم الجسيمات وتوزيعها
  على الرغم من أن الجسيمات النانوية تُحسّن أداء معدل الشحن والتفريغ، إلا أنها تزيد بشكل ملحوظ من مساحة السطح النوعية وتُسرّع التفاعلات الجانبية. أما الجسيمات الميكرونية المتجانسة ذات التوزيع الأمثل لحجم الجسيمات، فتُحقق توازناً أفضل بين الأداء وطول العمر.

• طلاء الكربون والتطعيم
  تعمل طبقة الكربون عالية الجودة على تحسين التوصيل الكهربائي وتقليل الاستقطاب، بينما يعمل التطعيم العنصري المناسب على استقرار البنية البلورية وتحسين قدرة انتشار أيونات الليثيوم.

يختار EverExceed مواد الكاثود عالية النقاء وهندسة الجسيمات المحسّنة لضمان استقرار هيكلي ممتاز وأداء دورات طويل الأمد.

2. مواد الأنود

• نوع الجرافيت وشكله
  يُوفر الجرافيت الاصطناعي عمومًا عمرًا أطول لدورة الشحن والتفريغ مقارنةً بالجرافيت الطبيعي. ويؤثر اتجاه جزيئات الجرافيت ومساميته بشكل كبير على استقرار طبقة SEI وقابلية عكس عملية إدخال وإخراج أيونات الليثيوم.

• تصميم سعة الأنود الزائدة
  عادةً ما يتم تصميم المصعد بسعة أعلى قليلاً من المهبط لمنع ترسب الليثيوم أثناء الشحن الزائد، مما يعزز السلامة وعمر البطارية.

3. الإلكتروليت

• التركيب والصيغة
  يُعد اختيار أملاح الليثيوم (مثل LiPF₆) والمذيبات (مثل EC وDMC) والمواد المضافة الوظيفية أمرًا بالغ الأهمية. ومن بين هذه المواد المضافة: FEC و VC يساعد على تكوين طبقة SEI أكثر استقرارًا وكثافة على المصعد، مما يقلل من استهلاك الليثيوم والإلكتروليت بشكل مستمر.

• التحكم في الرطوبة والحموضة
  حتى الكميات الضئيلة من الماء يمكن أن تتفاعل مع مكونات الإلكتروليت لتوليد حمض الهيدروفلوريك، الذي يؤدي إلى تآكل مواد الأقطاب الكهربائية وتقصير عمر البطارية بشكل كبير.

توظف شركة EverExceed مراقبة صارمة لنقاء الإلكتروليت لضمان الاستقرار الكهروكيميائي على المدى الطويل.

4. فاصل

• القوة الميكانيكية والاستقرار الحراري
  يجب أن يقاوم الفاصل اختراق التشعبات لمنع حدوث دوائر قصر داخلية. ويمكن لوظيفة الإغلاق الحراري (إغلاق المسام) المصممة جيدًا أن توقف التفاعلات عند ارتفاع درجة الحرارة بشكل غير طبيعي.

• المسامية وقابلية التبلل
  تؤثر هذه المعايير بشكل مباشر على الموصلية الأيونية وتجانس توزيع التيار داخل الخلية.

5. عمليات التصنيع

• تجانس طلاء القطب الكهربائي
  يمكن أن يتسبب الطلاء غير المتجانس في زيادة الشحن أو التفريغ الموضعي.

• عملية الدرفلة (كثافة الضغط)
  قد يؤدي الضغط المفرط إلى تلف بنية المادة وتقليل قابلية ترطيب الإلكتروليت، بينما يؤثر الضغط غير الكافي على كثافة الطاقة والشبكات الموصلة.

• التحكم في الرطوبة، والتحكم في النتوءات، والنظافة
  حتى عيوب التصنيع المجهرية يمكن أن تتضخم مع الاستخدام المتكرر على المدى الطويل.

• عملية التكوين
  تحدد جودة طبقة SEI المتكونة أثناء دورات الشحن والتفريغ الأولية بشكل مباشر استقرار الدورة على المدى الطويل.

تُنفذ EverExceed معايير التصنيع المعتمدة من ISO وعمليات تكوين متقدمة لضمان جودة الخلايا المتسقة.

ثانياً: ظروف التشغيل الخارجية (عوامل الإجهاد)

هذه هي العوامل الأكثر مباشرة وقابلية للتحكم التي تؤثر على عمر بطارية الليثيوم.

1. استراتيجية الشحن والتفريغ

• معدل الشحن/التفريغ (معدل الشحن)
  يؤدي التشغيل بمعدل شحن/تفريغ عالٍ إلى زيادة الاستقطاب وتوليد الحرارة والإجهاد الميكانيكي على مواد الأقطاب الكهربائية، مما يُسرّع من تدهور السعة. ويُعدّ الشحن السريع أحد العوامل الرئيسية التي تُساهم في تقليل عمر دورة الشحن/التفريغ.

• عمق التفريغ (وزارة الدفاع الأمريكية)
  يؤدي التفريغ العميق إلى تمدد وانكماش أكبر في حجم مواد الأقطاب الكهربائية. ويمكن أن يؤدي التفريغ الجزئي (مثلًا، من 30% إلى 80% من حالة الشحن) إلى إطالة عمر دورة البطارية بشكل ملحوظ.

• جهد قطع الشحن والتفريغ
  يؤدي جهد الشحن المفرط (على سبيل المثال، >3.65 فولت لكل خلية) إلى تسريع أكسدة الإلكتروليت وتدهور الكاثود، في حين أن جهد التفريغ المنخفض للغاية يمكن أن يؤدي إلى تحلل طبقة SEI وذوبان جامع التيار النحاسي.

2. درجة الحرارة

• درجة حرارة عالية (>35 درجة مئوية)
  يؤدي ذلك إلى تسريع جميع التفاعلات الجانبية، بما في ذلك تحلل الإلكتروليت، وتكاثف طبقة SEI، وانحلال معدن الكاثود، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية وفقدان الليثيوم النشط.

• الشحن في درجات حرارة منخفضة (<0 درجة مئوية)
  يمكن أن يؤدي الانتشار البطيء لأيونات الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة إلى ترسب الليثيوم على سطح الأنود، مما ينتج عنه تكوين تفرعات الليثيوم ومخاطر جسيمة على السلامة.

• تجانس درجة الحرارة
  تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة بين الخلايا داخل حزمة البطارية إلى عدم توازن الأداء وتسارع التدهور العام.

3. شروط التخزين

• التخزين طويل الأمد في درجة حرارة عالية مع وجود مخزون كامل أو فارغ
  كلا الشرطين يُسرّعان عملية الشيخوخة بشكل ملحوظ. للتخزين طويل الأمد، أ نسبة الكربون العضوي في التربة حوالي 50% عند درجة حرارة منخفضة يُنصح به.

ثالثًا: عوامل إدارة مستوى النظام

بالنسبة لحزم البطاريات المكونة من خلايا متعددة متصلة على التوالي والتوازي، تلعب إدارة النظام دورًا حاسمًا.

1. نظام إدارة البطارية (BMS)

• موازنة الخلايا
  نظراً للاختلافات التصنيعية التي لا مفر منها، تختلف الخلايا قليلاً في السعة والمقاومة الداخلية. تعمل الموازنة السلبية أو النشطة على تقليل تباين حالة الشحن بين الخلايا وتمنع الخلايا الفردية من العمل في ظروف الشحن الزائد أو التفريغ الزائد.

• مراقبة دقيقة للجهد والتيار ودرجة الحرارة
  يمنع الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، وارتفاع درجة الحرارة.

• تقدير دقيق لحالة الشحن
  يُعد تقدير حالة الشحن بدقة - من خلال الجمع بين حساب الكولوم والتصحيح القائم على النموذج - أمرًا ضروريًا لتنفيذ استراتيجيات الشحن والتفريغ المُحسّنة.

يدمج EverExceed حلول إدارة المباني الذكية عبر أنظمة بطاريات الليثيوم وأنظمة تخزين الطاقة لضمان السلامة والموثوقية على المدى الطويل.

2. نظام إدارة الحرارة

• حلول تبريد فعالة
  يساعد التبريد بالهواء أو التبريد السائل أو مواد تغيير الطور في الحفاظ على تشغيل البطارية ضمن نطاق درجة الحرارة الأمثل (عادةً 20-30 درجة مئوية) وضمان توحيد درجة الحرارة عبر الوحدات - وكلاهما أمر بالغ الأهمية لإطالة عمر البطارية.

عروض إيفر إكسيد حلول إدارة حرارية مخصصة لمراكز البيانات، وأنظمة UPS، وتطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق.

ملخص وتوصيات عملية

المبدأ الأساسي

يكمن جوهر تدهور عمر دورة بطارية الليثيوم أيون في فقدان لا رجعة فيه لأيونات الليثيوم النشطة وسلامة الهيكل الإلكترود تحت تأثير الإجهاد الكهروكيميائي والميكانيكي مجتمعين. جميع العوامل المؤثرة تدور حول هذه الآلية الأساسية.

نصائح عملية لإطالة عمر البطارية

• تجنب درجات الحرارة القصوى، وخاصة التشغيل في درجات حرارة عالية والشحن في درجات حرارة منخفضة

• تجنب ظروف الشحن الكامل أو التفريغ العميق لفترات طويلة

• اضبط حدود الشحن اليومية على 90%–95% عندما لا تكون السعة الكاملة ضرورية.

• قلل من وتيرة الشحن السريع كلما أمكن ذلك

• تجنبي التفريغ العميق؛ وأعيدي شحن أجهزتك بانتظام.

• للتخزين طويل الأمد، حافظ على نسبة رطوبة التربة عند حوالي 50% في بيئة باردة وجافة