تعد المعلمات الأساسية لبطاريات الليثيوم الأساس الأساسي لتقييم أدائها والسيناريوهات القابلة للتطبيق والاستخدام الآمن. تؤثر المعلمات المختلفة بشكل مباشر على نطاق البطارية وكفاءة الشحن/التفريغ وعمر الخدمة وتوافق التطبيقات. فيما يلي تفاصيل المعلمات الأساسية الأساسية لبطاريات الليثيوم في ثلاث فئات رئيسية: معلمات الأداء الكهربائي، ومعلمات العمر والاستقرار، ومعلمات القدرة على التكيف البيئي.
1. المعلمات ذات الصلة بالجهد-.
الجهد هو "مستوى الطاقة" لبطارية الليثيوم، مما يؤثر بشكل مباشر على توافق الجهاز (على سبيل المثال، لا يمكن استخدام بطاريات الهاتف المحمول في السيارات الكهربائية). يتضمن ثلاث قيم جهد رئيسية:
| اسم المعلمة | تعريف | وحدة | المعنى الأساسي | مثال نموذجي |
|
الجهد الاسمي |
متوسط جهد تشغيل البطارية أثناء الشحن والتفريغ العادي هو أيضًا الجهد المشار إليه في طراز البطارية (على سبيل المثال، "بطارية ليثيوم 3.7 فولت"). |
V |
يعد تحديد توافق مصدر الطاقة لجهاز ما (يجب أن يكون الجهاز متوافقًا مع الجهد الاسمي) أحد المعايير الأساسية لتصنيف البطاريات. | الليثيوم الثلاثي: 3.7 فولت؛ فوسفات حديد الليثيوم: 3.2 فولت؛ بوليمر الليثيوم: 3.7 فولت |
|
قطع الشحن-فولطية |
يمكن أن يؤدي تجاوز الحد الأقصى للجهد المسموح به أثناء شحن البطارية إلى تحلل الإلكتروليت أو الانتفاخ أو حتى نشوب حريق. |
V |
يعد التحكم في سلامة الشحن (يجب أن يتطابق الشاحن بدقة مع هذا الجهد) هو الحد الأساسي لـ "الحماية من الشحن الزائد". | الليثيوم الثلاثي: 4.2 فولت (قياسي) / 4.35 فولت (سعة عالية)؛ ليثيوم فوسفات الحديد: 3.65 فولت |
|
قطع التفريغ-جهد الكهربية |
الحد الأدنى المسموح به من الجهد لتفريغ البطارية؛ أقل من هذا الجهد سيؤدي إلى ترسب الليثيوم على القطب السالب واضمحلال القدرة الدائمة. |
V |
يعد التحكم في سلامة التفريغ (يجب أن يتوقف الجهاز عن التفريغ قبل وصول هذا الجهد) هو الحد الأساسي لـ "الحماية من التفريغ الزائد". | الليثيوم الثلاثي: 2.75 فولت؛ ليثيوم فوسفات الحديد: 2.5 فولت |
2. السعة-المعلمات ذات الصلة
تشير السعة إلى "سعة تخزين الطاقة" لبطارية الليثيوم، والتي تحدد بشكل مباشر عمر بطارية الجهاز. من المهم التمييز بين "القدرة الاسمية" و"القدرة الفعلية"
| اسم المعلمة | تعريف | وحدة | العوامل المؤثرة | مثال نموذجي |
|
القدرة المقدرة |
"سعة التخزين المقدرة" التي وصفتها الشركات المصنعة للبطاريات في ظل الظروف القياسية (25 درجة، 0.2 درجة مئوية لتفريغ جهد القطع). |
ماه / اه |
عمر البطارية الأساسي الذي وعدت به الشركة المصنعة هو 1Ah=1000mAh (على سبيل المثال، بطارية بسعة 1000 مللي أمبير يمكن أن تستمر لمدة 10 ساعات بتيار 100 مللي أمبير). | بطاريات الهاتف المحمول: 3000-5000 مللي أمبير؛ بطاريات السيارات الكهربائية: 50-200 أمبير |
|
القدرة الفعلية |
سعة تخزين الطاقة الفعلية للبطارية في ظل ظروف الاستخدام العالمية-الحقيقية (مثل درجة الحرارة المنخفضة ومعدل التفريغ- المرتفع). |
ماه / آه |
تتأثر بدرجة الحرارة (خفض درجة الحرارة المنخفضة)، ومعدل التفريغ (خفض معدل الحرارة المرتفع)، وعدد الدورات (خفض التقادم). | قد يكون للبطارية ذات التصنيف الاسمي 5000 مللي أمبير سعة 3500 مللي أمبير فقط عند -10 درجة. |
|
كثافة الطاقة |
يتم تصنيف الطاقة المخزنة لكل وحدة كتلة/حجم البطارية إلى "كثافة الطاقة الوزنية" و"كثافة الطاقة الحجمية". |
ساعة/كجم، ساعة/لتر |
العوامل التي تحدد "خفة الوزن" و"تصغير" الجهاز (مثل نطاق السيارة الكهربائية وسمك الهاتف المحمول) | الليثيوم الثلاثي: 200-300 واط ساعة/كجم؛ ليثيوم فوسفات الحديد: 150-200 وات ساعة/كجم |
3. معدل الشحن/التفريغ (C-معدل)
المعدل هو "سرعة الشحن والتفريغ" لبطارية الليثيوم، ويمثلها "C". فهو يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الشحن وطاقة التفريغ (مثل متطلبات الشحن السريع والأجهزة- ذات الطاقة العالية).
• تعريف: 1C=التيار المطابق للسعة المقدرة للبطارية (على سبيل المثال، لبطارية 1000 مللي أمبير، تيار 1C=1000 مللي أمبير؛ لبطارية 200 أمبير، تيار 1C=200A).
• تصنيف:
• معدل الشحن C-: على سبيل المثال، "شحن 1C"=يتم شحنه بالكامل خلال ساعة واحدة؛ "شحن 2C"=يتم شحنه بالكامل خلال 30 دقيقة (يلزم وجود شاحن).
• معدل التفريغ C-: على سبيل المثال، "تفريغ 0.5C"=يتم تفريغه بالكامل خلال ساعتين (أجهزة-منخفضة الطاقة، مثل الهواتف المحمولة)؛ "تفريغ 10C"=يتم تفريغه بالكامل خلال 6 دقائق (أجهزة -عالية الطاقة، مثل الطائرات بدون طيار والأدوات الكهربائية).
• ملاحظة: سيؤدي معدل الشحن والتفريغ المرتفع- إلى زيادة توليد حرارة البطارية، وتقصير العمر الافتراضي، وانخفاض السعة الفعلية (على سبيل المثال، قد تكون السعة الفعلية لتفريغ 10 درجات مئوية 70% فقط من السعة الاسمية).
4. المقاومة الداخلية
المقاومة الداخلية هي مجموع مقاومات المواد الداخلية (الأقطاب الكهربائية، المنحل بالكهرباء، الفاصل) لبطارية الليثيوم، ووحدتها هي مللي أوم (mΩ).
• التأثيرات الرئيسية:
أ. توليد الحرارة: كلما زاد التيار، زادت الحرارة المتولدة عن طريق المقاومة الداخلية (Q=I²Rt). البطاريات ذات المقاومة الداخلية العالية عرضة لارتفاع درجة الحرارة أثناء الشحن السريع.
ب. انخفاض الجهد: أثناء التفريغ، تؤدي المقاومة الداخلية إلى انخفاض جهد الخرج الفعلي (الجهد الفعلي=الجهد الاسمي - I × المقاومة الداخلية). تتمتع البطاريات ذات المقاومة الداخلية العالية بقدرة حمل ضعيفة-(على سبيل المثال، فقدان الطاقة المفاجئ أثناء ممارسة الألعاب على الهاتف المحمول).
ج. العمر الافتراضي: تزداد المقاومة الداخلية مع عدد الدورات (شيخوخة المادة). عندما تتجاوز المقاومة الداخلية حدًا معينًا، لا يمكن استخدام البطارية بشكل طبيعي.
القيم النموذجية: تتمتع بطاريات الليثيوم الصغيرة (الهواتف المحمولة وسماعات الأذن) بمقاومة داخلية تبلغ حوالي 50-200 مللي أوم؛ تتمتع بطاريات الطاقة الكبيرة (المركبات الكهربائية) بمقاومة داخلية تبلغ حوالي 1-10 مللي أوم.
ثانيا. معلمات العمر والاستقرار
تحدد هذه المعلمات "متانة" بطاريات الليثيوم، مما يؤثر بشكل مباشر على تكاليف الاستخدام (مثل دورة استبدال بطاريات السيارات الكهربائية).
5. دورة الحياة
• التعريف: عدد الدورات التي تكملها البطارية بعد دورة تفريغ الشحن الكامل- (من جهد قطع الشحن إلى جهد قطع التفريغ) عندما تنخفض قدرتها إلى 80% من سعتها الاسمية (معيار الصناعة).
• العوامل المؤثرة الرئيسية:
• معدل الشحن/التفريغ: تؤدي المعدلات المنخفضة (0.2 درجة مئوية - 1 درجة مئوية) إلى عمر دورة أطول، بينما تؤدي المعدلات المرتفعة (أعلى من 5 درجات مئوية) إلى عمر افتراضي أقصر.
• درجة الحرارة: 25-40 درجة هي درجة الحرارة المثالية لركوب الدراجات. درجات الحرارة المنخفضة (<0℃) or high temperatures (>60 درجة) تسريع الشيخوخة.
عمق الشحن (DOD): يمكن للشحن والتفريغ الضحل (على سبيل المثال، الشحن إلى 80% والتفريغ إلى 20%) إطالة العمر الافتراضي بشكل كبير (على سبيل المثال، يمكن لبطاريات الليثيوم الثلاثية تحقيق أكثر من 2000 دورة ضحلة وحوالي 800-1200 دورة كاملة).
• أمثلة نموذجية:
• بطاريات الليثيوم الخاصة بالهواتف المحمولة: 500-1000 دورة (شحن وتفريغ كاملين).
• بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد للسيارات الكهربائية: 1500-3000 دورة (شحن وتفريغ كاملين).
6. معدل التفريغ الذاتي-
• التعريف: المعدل الذي تفقد به البطارية شحنها بشكل طبيعي بسبب التفاعلات الكيميائية الداخلية عندما لا تكون قيد الاستخدام، ويتم حسابه عادةً على أنه "النسبة المئوية للخسارة شهريًا".
• الميزة الأساسية: تتمتع بطاريات أيون الليثيوم- بمعدل تفريغ ذاتي- أقل بكثير من بطاريات هيدريد المعدن-النيكل/النيكل- التقليدية المصنوعة من النيكل (تتمتع بطاريات هيدريد المعدن النيكل-بمعدل تفريغ ذاتي-شهري يبلغ حوالي 20%-30%).
القيمة النموذجية: في درجات الحرارة العادية (25 درجة)، يبلغ معدل التفريغ الذاتي الشهري-لبطاريات الليثيوم-أيون 2%-5% تقريبًا؛ زيادة درجات حرارة التخزين (على سبيل المثال، فوق 40 درجة) سيؤدي إلى زيادة في معدل التفريغ الذاتي.
6.1. تأثير الذاكرة
• التعريف: الظاهرة التي تظهر فيها البطارية وكأنها ذات سعة منخفضة بسبب شحنها قبل تفريغها بالكامل (شائع في بطاريات النيكل-والكادميوم).
• خصائص بطارية أيون الليثيوم-: ليس لها أي تأثير على الذاكرة؛ يمكن شحنها عند الحاجة (ليست هناك حاجة لتفريغها بالكامل قبل إعادة الشحن)، ولكن التخزين لفترة طويلة عند الشحن الكامل (مثل ترك البطارية بدون شحن بعد الشحن بنسبة 100%) سوف يؤدي إلى تسريع عملية الشيخوخة.
7. معلمات القدرة على التكيف البيئي
تحدد هذه المعلمات "السيناريوهات القابلة للتطبيق" لبطاريات الليثيوم، وخاصة سلامتها واستقرارها في البيئات القاسية.
7.1. نطاق درجة حرارة التشغيل
• التعريف: نطاق درجة الحرارة الذي يمكن ضمنه شحن البطارية وتفريغها بشكل طبيعي. سيؤدي تجاوز هذا النطاق إلى تدهور الأداء أو مخاطر السلامة.
• النطاق النموذجي (أنواع مختلفة من بطاريات أيون الليثيوم-):
| نوع البطارية | درجة حرارة التفريغ العادية | درجة حرارة الشحن العادية | تأثيرات درجات الحرارة القصوى |
| بطارية الليثيوم الثلاثية |
-20 درجة ~ 60 درجة |
0 درجة ~ 45 درجة |
<-20℃ discharge capacity drops sharply;>60 درجة عرضة للانتفاخ |
| بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد |
-30 درجة ~ 60 درجة |
0 درجة ~ 50 درجة |
يتفوق على بطاريات الليثيوم الثلاثية في درجات الحرارة المنخفضة ويكون أكثر استقرارًا في درجات الحرارة المرتفعة. |
| بطاريات ليثيوم بوليمر |
-10 درجة ~ 50 درجة |
0 درجة ~ 40 درجة |
ضعف الأداء في درجات الحرارة المنخفضة وعرضة للتسرب في درجات الحرارة المرتفعة. |
8. نطاق درجة حرارة التخزين
• التعريف: نطاق درجة الحرارة الآمن -لتخزين البطارية على المدى الطويل، مما يؤثر على الاحتفاظ بالسعة بعد التخزين.
• النطاق الموصى به:
• تخزين قصير المدى- (خلال شهر واحد): 0 درجة ~ 35 درجة، مع الحفاظ على مستوى شحن يتراوح بين 30%-50%.
• تخزين طويل الأمد- (أكثر من 3 أشهر): -20 درجة ~ 25 درجة، مع الحفاظ على مستوى شحن يتراوح بين 30% إلى 40% (تجنب تخزين البطاريات المشحونة بالكامل أو الفارغة تمامًا).
9. مقارنة المعلمات الأساسية لأنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم
تنقسم بطاريات الليثيوم السائدة في السوق إلى ثلاث فئات: الليثيوم الثلاثي، وفوسفات حديد الليثيوم، وبوليمر الليثيوم. تحدد الاختلافات في معلماتها بشكل مباشر السيناريوهات القابلة للتطبيق.
| المعلمة |
بطارية ليثيوم ثلاثية (Li-NCM/LCO) |
بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) |
بطاريات ليثيوم بوليمر (لي-بوليمر) |
| الجهد الاسمي |
3.7V |
3.2V |
3.7V |
| كثافة الطاقة |
عالية (200-300 واط/كجم) |
الأوسط (150-200 واط ساعة/كجم) |
المتوسطة (180-250 واط ساعة/كجم) |
| دورة الحياة |
وسط (800-1200 حياة) |
عالية (1500-3000 الحياة) |
الأوسط (500-1000 الحياة) |
| أداء درجة حرارة منخفضة |
أفضل (-20 درجة قابلة للشحن) |
بشكل عام (يمكن تفريغها عند -30 درجة، لكن السعة تنخفض بشكل ملحوظ.) |
ضعيف (تنخفض السعة بشكل حاد إلى أقل من -10 درجة) |
| حماية |
بشكل عام (ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يؤدي بسهولة إلى الانفلات الحراري) |
عالية (تتمتع بثبات حراري جيد وليس من السهل إشعالها.) |
بشكل عام (عرضة للتسرب، وتتطلب تغليفًا ناعمًا للحماية) |
| السيناريوهات القابلة للتطبيق | الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة،-والمركبات الكهربائية المتطورة | السيارات الكهربائية، تخزين الطاقة، الأدوات الكهربائية | الأجهزة الرفيعة جدًا-(مثل سماعات الرأس والساعات الذكية) |
