ما هو التفريغ الذاتي للبطارية وكيفية حسابه

يُعد التفريغ الذاتي للبطارية ظاهرة حرجة في تخزين الطاقة الكهروكيميائية، في إشارة إلى فقدان السعة الطبيعي الذي يحدث عندما تكون البطارية في حالة الدائرة المفتوحة بمرور الوقت. يعد فهم المبادئ والعوامل المؤثرة وطرق حساب التفريغ الذاتي أمرًا ضروريًا لإدارة التخزين الفعالة للبطارية والتنبؤ بعمر البطارية وتحسين الأداء.

تشرح هذه المقالة آلية التفريغ الذاتي، والاختلافات في معدل التفريغ الذاتي عبر مختلف كيمياء البطاريات، وطرق الحساب، والاستراتيجيات العملية لتقليل تأثيره - مما يساعد المهندسين والمستخدمين على الحفاظ على البطارية وإطالة عمرها بشكل أفضل.

ما هو التفريغ الذاتي للبطارية

يشير التفريغ الذاتي للبطارية إلى الفقدان التدريجي للسعة المخزنة بمرور الوقت عندما تكون البطارية في حالة الدائرة المفتوحة. وتتكون من التفريغ الذاتي الفيزيائي والكيميائي على حد سواء، وهي خاصية متأصلة في جميع البطاريات. ويُعد فهم هذه العملية أمرًا حيويًا لتقييم عمر البطارية وأداء التخزين والموثوقية الإجمالية.

كيف يحدث التفريغ الذاتي

يحدث التفريغ الذاتي بسبب تفاعلات كيميائية داخلية مشابهة لتلك الموجودة في تفريغ الدائرة المغلقة، حتى عندما لا تكون البطارية قيد الاستخدام. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع هذه التفاعلات، مما يؤدي إلى فقدان أسرع للقدرة، بينما تساعد درجات الحرارة المنخفضة على إبطائها. وبمرور الوقت، تتشكل طبقة سلبية على سطح القطب الكهربائي، تعمل كطبقة واقية يمكن أن تقلل جزئياً من التفريغ الذاتي.

تشمل الأسباب الرئيسية للتفريغ الذاتي ما يلي:

• الاستقرار الكهروكيميائي: يؤدي الانحراف عن ظروف التوازن المثالي إلى فقدان الطاقة في صورة حرارة.
• تدهور المواد: مع مرور الوقت، تتقادم المواد الداخلية وتؤدي إلى تفاعلات جانبية تستهلك الطاقة المخزنة.
• كفاءة النقل الأيوني: يؤدي ضعف حركة الأيونات داخل الإلكتروليت إلى زيادة معدل التفريغ الذاتي.

تلعب جودة المكونات الداخلية أيضًا دورًا حاسمًا. فالشوائب في الإلكتروليت أو مواد القطب الكهربائي يمكن أن تسرع من التفريغ الذاتي، وقد تؤدي العيوب في الفاصل إلى حدوث دوائر كهربائية قصيرة، مما يزيد من فقدان الطاقة.

معدلات التفريغ الذاتي في كيميائيات البطاريات المختلفة

على الرغم من أن التفريغ الذاتي هو خاصية متأصلة في جميع البطاريات، إلا أن معدله يختلف باختلاف الكيميائيات. على سبيل المثال، تُظهر بطاريات الليثيوم-أيون تفريغاً ذاتياً منخفضاً نسبياً (حوالي 2-31 تيرابايت في الشهر)، بينما يمكن أن يصل معدل التفريغ الذاتي لبطاريات هيدريد النيكل-المعدن (NiMH) إلى 10-301 تيرابايت في الشهر.

تشمل الأسباب الرئيسية للتفريغ الذاتي ما يلي:

كيمياء البطارية	قابلة لإعادة الشحن	التفريغ الذاتي النموذجي/عمر التخزين الذاتي/العمر التخزيني النموذجي
معدن الليثيوم	لا يوجد	~مدة صلاحية الصلاحية حوالي 10 سنوات
قلوي	لا يوجد	~مدة الصلاحية 5 سنوات تقريباً
زنك-كربون	لا يوجد	مدة الصلاحية 2-3 سنوات
كلوريد الثيونيل ثيونيل	لا يوجد	~حوالي 11 تيرابايت 3 تيرابايت في السنة
ليثيوم أيون	نعم	2-4% في الشهر
بوليمر الليثيوم	نعم	~حوالي 5% شهرياً
منخفضة التفريغ الذاتي التفريغ الذاتي NiMH	نعم	~حوالي 0.251 تيرابايت 3 تيرابايت شهرياً
حمض الرصاص	نعم	4-6% شهرياً
النيكل والكادميوم	نعم	15-20% شهرياً
نيمه التقليدية	نعم	~حوالي 301 تيرابايت 3 تيرابايت شهرياً

كيفية حساب التفريغ الذاتي للبطارية

يعد الحساب الدقيق لمعدل التفريغ الذاتي أمرًا بالغ الأهمية لتقييم العمر الافتراضي وأداء التخزين والموثوقية.

معادلة حساب التفريغ الذاتي

المعادلة القياسية هي معدل التفريغ الذاتي(%) = (C₀- C_t) /C₀  × 100

حيث:
C₀: السعة الأولية قبل التخزين (آه أو مللي أمبير)
C_t: السعة المتبقية بعد فترة التخزين ر
t: وقت التخزين (أيام أو أسابيع أو أشهر)

تعبر هذه الصيغة عن النسبة المئوية لفقدان السعة بالنسبة للسعة الأولية.

مثال حساب خطوة بخطوة

مثال: يتم تخزين بطارية ليثيوم أيون سعة 100 أمبير في درجة حرارة 25 درجة مئوية لمدة شهر واحد. بعد الاختبار، تبلغ سعتها المتبقية 96 Ah.

معدل التفريغ الذاتي=[(100-96)/100] × 100=4%

وبالتالي، فقدت البطارية ما يقرب من 41 تيرابايت 3 تيرابايت من سعتها شهرياً في ظل ظروف التخزين هذه.

شروط الاختبار وأفضل الممارسات

لضمان الحصول على نتائج دقيقة وقابلة للمقارنة، اتبع هذه الممارسات:

• اشحن البطارية بالكامل قبل التخزين.
• يُخزن تحت درجة حرارة ثابتة (عادةً 20-25 درجة مئوية).
• قياس السعة بعد التخزين باستخدام نفس معدل التفريغ وجهد القطع.
• تسجيل مدة التخزين بدقة.
• لدراسات الموثوقية، كرر الاختبارات تحت درجات حرارة مختلفة.

العوامل المؤثرة على التفريغ الذاتي

يتأثر معدل التفريغ الذاتي للبطارية بعوامل متعددة، بما في ذلك كيمياء البطارية ودرجة الحرارة المحيطة, حالة الشحن (SOC)، ووقت التخزين، والتقادم، والشوائب، وتاريخ التدوير.

نوع البطارية

مواد الكاثود: تُظهر مواد الكاثود عالية النيكل عادةً معدلات تفريغ ذاتي أعلى من فوسفات حديد الليثيوم (LFP). ونظراً لهيكلها المستقر من الزبرجد الزيتوني، فإن فوسفات الحديد الليثيوم LFP يوفر تفريغاً ذاتياً أقل بكثير واستقراراً أفضل على المدى الطويل.

مواد الأنود: تعاني أنودات السيليكون والكربون من تغيرات كبيرة في الحجم أثناء التدوير، مما يؤدي إلى عدم استقرار طبقات SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب) وارتفاع معدلات التفريغ الذاتي مقارنة بأنودات الجرافيت.

درجة الحرارة

تعد درجة الحرارة أحد أهم العوامل المؤثرة على التفريغ الذاتي. بشكل عام، تتضاعف معدلات التفاعل الكيميائي تقريبًا مع كل 10 درجات مئوية ارتفاع في درجة الحرارة. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع جميع التفاعلات الجانبية الطفيلية بشكل كبير، مما يؤدي إلى زيادة حادة في معدل التفريغ الذاتي.

حالة الشحن

يتوافق ارتفاع SOC مع إمكانات أعلى للقطب الكهربائي، مما يزيد من قوة دفع التفاعل بين مواد القطب الكهربائي والإلكتروليت. ونتيجة لذلك، يرتفع معدل التفريغ الذاتي مع زيادة SOC. للتخزين على المدى الطويل، يوصى عموماً بالحفاظ على البطارية حول 50% SOC.

الوقت

التفريغ الذاتي هو عملية مستمرة. وكلما طالت مدة بقاء البطارية في وضع الخمول، زاد فقدان السعة التراكمية.

تقادم البطارية والشوائب

مع تقادم عمر البطاريات، تخضع كل من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات لتحولات فيزيائية وكيميائية تسرّع من التفريغ الذاتي.

وغالباً ما تظهر على البطاريات المتقادمة شقوق دقيقة ومقاومة داخلية متزايدة وأغشية سطحية غير مستقرة. تخلق هذه العيوب مسارات تسرب صغيرة أو تتيح تفاعلات جانبية مستمرة حتى في ظروف الدائرة المفتوحة، مما يؤدي إلى فقدان تدريجي للطاقة.

سجل الشحن/التفريغ وعدد الدورات

يؤثر تاريخ شحن البطارية وتفريغها بشكل كبير على سلوك التفريغ الذاتي. تتسبب الدورات العميقة المتكررة أو الشحن الزائد أو التفريغ الزائد في حدوث تغيرات كيميائية لا رجعة فيها في مواد القطب الكهربائي، مما يشكل مناطق سطحية غير مستقرة ونقاط إجهاد موضعية، مما يزيد من تيارات التسرب الداخلية.

تميل البطاريات التي خضعت لتدوير مكثف إلى إظهار معدلات تفريغ ذاتي أعلى، حيث تصبح الطبقة الواقية من SEI أرق أو غير متساوية أو تالفة بمرور الوقت، مما يفقدها قدرتها على كبح التفاعلات الطفيلية.

كيفية الحد من التفريغ الذاتي أو إدارته

يُخزن في بيئة باردة وجافة

قم بتخزين البطاريات في مكان بارد وجاف بين 15 درجة مئوية و25 درجة مئوية، مع تجنب درجات الحرارة المتجمدة. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع التفريغ الذاتي، في حين أن درجات الحرارة المنخفضة للغاية قد تقلل من الأداء. عادة، لكل 10 درجات مئوية زيادة، يتضاعف معدل التفريغ الذاتي مرتين أو ثلاث مرات.

على سبيل المثال، يبلغ معدل التفريغ الذاتي عند درجة حرارة 25 درجة مئوية حوالي 2% في الشهر، بينما يمكن أن يرتفع إلى 8% في الشهر عند درجة حرارة 55 درجة مئوية.

إجراء شحن الصيانة الدورية للشحن

بالنسبة للبطاريات التي تُترك دون استخدام لفترات طويلة، فإن الصيانة الدورية ضرورية. تحقق من مستوى الشحن كل 3-6 أشهر وقم بإجراء دورة شحن وتفريغ كاملة للحفاظ على النشاط ومنع حدوث تلف لا يمكن إصلاحه بسبب التفريغ العميق.

الحفاظ على حالة الشحن المثلى

للتخزين على المدى الطويل، حافظ على 40-60% SOC. تجنب تخزين البطاريات في حالة الشحن الكامل أو التفريغ الكامل. يؤدي الشحن الكامل إلى تسريع تفاعلات الكهارل - الكاثود بينما قد يؤدي التفريغ الكامل إلى تدهور الأنود.

حدد كيماويات البطاريات منخفضة التفريغ الذاتي

ومقارنةً بالكيماويات الأخرى، توفر البطاريات القائمة على الليثيوم أفضل توازن بين الاحتفاظ بالطاقة والتكلفة، وعادةً ما تُظهر 2% - 3% التفريغ الذاتي في الشهر.

استخدام أنظمة إدارة البطارية

تنفيذ نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة المعلمات في الوقت الحقيقي مثل الجهد ودرجة الحرارة. يمكن لنظام إدارة البطاريات (BMS) اكتشاف الحالات الشاذة في وقت مبكر وتحفيز إجراءات الحماية، مما يمنع التدهور المتسارع وفقدان الطاقة.

الخاتمة

التفريغ الذاتي للبطارية هو عملية مستمرة وحتمية تتأثر بعوامل مثل نوع الكيمياء ودرجة الحرارة وحالة الشحن والتقادم وتاريخ التدوير. من خلال القياس الدقيق للتفريغ الذاتي وتطبيق ممارسات التخزين والصيانة المثلى واستخدام كيميائيات ذات تفريغ ذاتي منخفض وأنظمة مراقبة ذكية، يمكن تقليل فقدان الطاقة إلى أدنى حد وإطالة عمر البطارية.

بالنسبة للمهندسين والمستخدمين النهائيين على حد سواء، فإن مراقبة التفريغ الذاتي وإدارته ليس فقط مفتاحًا لتحسين أداء البطارية ولكنه أيضًا أمر بالغ الأهمية لضمان موثوقية الجهاز وتحسين تصميم نظام تخزين الطاقة.