تفريغ بطارية الليثيوم الذاتية: الأسباب وطرق الاختبار والوقاية

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة والأدوات الكهربائية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الإلكترونية المحمولة. في معظم التطبيقات، يتم توصيل الخلايا الفردية على التوالي أو التوازي لتشكيل وحدات وبطاريات.

ومع ذلك، بالنسبة لحزمة البطارية، لا يتم تحديد أداء الحزمة النهائية فقط من خلال الخلية ذات الأداء الأفضل.تعد اتساق الخلايا أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على سعة البطارية وعمرها الافتراضي وسلامتها.أحد العوامل المهمة التي يمكن أن تقلل من اتساق الخلايا هو التفريغ الذاتي.

عند تخزين خلية ليثيوم أيون مشحونة بالكامل بدون حمل خارجي، قد ينخفض جهدها وحالة شحنها (SOC) تدريجيًا. تُعرف هذه الظاهرة بالتفريغ الذاتي. إذا كانت الخلايا في نفس حزمة البطارية لها معدلات تفريغ ذاتي مختلفة بشكل كبير، فقد تصبح مستويات شحنها غير متوازنة بشكل متزايد أثناء التخزين، مما قد يؤثر على سعة الحزمة وعمر الدورة والسلامة.يشرح هذا المقال الأسباب الرئيسية للتفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم، وطرق اختبار التفريغ الذاتي الشائعة، والأساليب العملية للتحكم في التفريغ الذاتي أثناء تصنيع بطاريات الليثيوم.عيوب موضعية بين القطب الكهربائي والفاصل

يشير التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم إلى الفقدان التدريجي للطاقة المخزنة عندما لا تكون البطارية متصلة بحمل خارجي.

من الناحية المثالية، يجب أن تحافظ البطارية على جهد دائرة مفتوحة (OCV) مستقر نسبيًا أثناء التخزين. في الواقع، يمكن للتفاعلات الكيميائية الداخلية وتيارات التسرب الصغيرة أن تستهلك الليثيوم النشط تدريجيًا وتقلل من الطاقة المخزنة في البطارية.

كيمياء البطارية ومواد الأقطاب الكهربائية

حالة الشحن (SOC)

درجة حرارة التخزين

• تفاعلات جانبية للإلكتروليت والأقطاب الكهربائية
• الرطوبة والشوائب
• حالة الفاصل
• عيوب التصنيع
• دوائر قصر داخلية صغيرة
• بالنسبة لمصنعي البطاريات، غالبًا ما تكون القضية الأكثر أهمية ليست ببساطة ما إذا كانت الخلية تعاني من تفريغ ذاتي، بل ما إذا كانت الخلايا المختلفة لها معدلات تفريغ ذاتي مختلفة بشكل كبير.
• هذا هو السبب في أن اختبار التفريغ الذاتي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتصنيف خلايا بطاريات الليثيوم واتساق حزم البطاريات.
• ما الذي يسبب التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم؟

يمكن ربط التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم أيون بشكل عام بآليتين رئيسيتين: التسرب الداخلي أو دوائر القصر الصغيرة والتفاعلات الكيميائية الجانبية.1. التسرب الداخلي ودوائر القصر الصغيرةعيوب موضعية بين القطب الكهربائي والفاصل

تشمل الأسباب المحتملة:

نُتوءات الأقطاب الكهربائية المتولدة أثناء القطعغبار أو حطام الأقطاب الكهربائيةجسيمات غريبة تدخل أثناء تجميع الخليةتلف الفاصلعيوب موضعية بين القطب الكهربائي والفاصل

يمكن للخلايا المتأثرة بدوائر القصر الداخلية الصغيرة أن تظهر انخفاضًا كبيرًا في الجهد أثناء التخزين مقارنة بالخلايا العادية.

2. التفاعلات الكيميائية الجانبية

• الآلية الرئيسية الثانية تتعلق بالتفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلية.
• تشمل الأمثلة:
• أكسدة أو اختزال الإلكتروليت
• التكوين والإصلاح المستمر لطبقة SEI
• التفاعلات التي تشمل الرطوبة ومكونات الإلكتروليت
• تفاعلات واجهة الكاثود/الإلكتروليت

تدهور مواد الأقطاب الكهربائية

تعد الرطوبة مهمة بشكل خاص في تصنيع بطاريات الليثيوم أيون. يمكن للماء الزائد أن يتفاعل مع مكونات الإلكتروليت ويساهم في تكوين أنواع حمضية، والتي يمكن أن تسرع تدهور الواجهة وتستهلك الليثيوم النشط.

لماذا يعتبر التفريغ الذاتي مهمًا لحزم البطاريات؟

يصبح التفريغ الذاتي مهمًا بشكل خاص عندما يتم توصيل العديد من الخلايا معًا.

• تخيل أن عدة خلايا لها نفس السعة الأولية ولكن معدلات تفريغ ذاتي مختلفة قليلاً. بعد فترة من التخزين، قد لا تكون مستويات شحنها متساوية.
• يمكن أن يؤدي هذا إلى:
• 1. عدم توازن حالة الشحن (SOC)
• قد تصل الخلايا المختلفة إلى مستويات جهد وحالة شحن مختلفة بعد التخزين.
• في حزمة بطارية متصلة على التوالي، يمكن أن تصبح الخلية الأضعف أو الأكثر تفريغًا هي الخلية المحددة أثناء الشحن والتفريغ.

2. انخفاض السعة القابلة للاستخدام

تتأثر السعة القابلة للاستخدام لحزمة البطارية بشكل كبير باتساق الخلايا المستخدمة لتجميعها.

3. زيادة متطلبات اختبار حزمة البطارية

قد يحتاج مصنعو البطاريات إلى الجمع بين عدة عمليات اختبار، بما في ذلك:

تكوين الخلية → تصنيف السعة → اختبار التفريغ الذاتي/التخزين → فرز OCV/IR → لحام حزمة البطارية → تجميع الحزمة → اختبار الحزمة → التقادم

4. مشاكل التخزين طويل الأمد

يمكن أن يصبح التفريغ الذاتي ملحوظًا بشكل خاص عندما يتم تخزين البطاريات لأسابيع أو أشهر.

كيف يتم اختبار التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم؟

أحد الأساليب الشائعة هو مقارنة المعلمات الكهربائية للبطارية قبل وبعد فترة تخزين مضبوطة.

الشحن → الراحة → قياس OCV → التخزين → قياس OCV مرة أخرى → حساب تغير الجهد → تصنيف الخلايا

1. التحكم في حالة الشحن الأولية (SOC)

يمكن أن تنتج نقاط حالة شحن مختلفة استجابات جهد مختلفة، لذلك يجب على الشركات المصنعة اختيار حالة شحن مناسبة وفقًا لكيمياء البطارية وهدف الاختبار.

والأهم من ذلك، يجب اختبار جميع الخلايا التي تتم مقارنتها في ظل نفس الظروف.

مباشرة بعد الشحن، قد يتأثر الجهد المقاس بالاستقطاب.

لذلك، يجب عادةً السماح للخلايا بالراحة لفترة محددة قبل قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCV) الأولي.

3. الحفاظ على درجة حرارة مستقرة

لهذا السبب، يجب إجراء اختبارات التفريغ الذاتي في ظل ظروف بيئية مضبوطة.

تشمل المعلمات المهمة:

درجة حرارة المحيط

حالة الشحن (SOC)

الجهد الأولي

الجهد النهائي

دقة معدات القياس

4. قياس الجهد قبل وبعد التخزين

بعد فترة التخزين المحددة، يتم قياس جهد الخلية مرة أخرى.

• يمكن التعبير عن مقارنة بسيطة على النحو التالي:
• انخفاض الجهد = OCV الأولي − OCV النهائي
• لتحليل أكثر تفصيلاً، يمكن للشركات المصنعة حساب تغير الجهد خلال فترة تخزين محددة:
• مؤشر التفريغ الذاتي = انخفاض الجهد / وقت التخزين
• يجب تفسير هذه القيمة جنبًا إلى جنب مع كيمياء البطارية وحالة الشحن ودرجة الحرارة وظروف الاختبار بدلاً من استخدامها كحد عالمي للنجاح/الفشل.
• التحكم في التلوث المعدني
• اختبار التفريغ الذاتي وتصنيف الخلايا مرتبطان ولكنهما ليسا نفس العملية بالضبط.

السعة

أداء الشحن

الجهد

الهدف هو تصنيف الخلايا ذات الخصائص الكهربائية المتشابهة في نفس الدرجة.

على سبيل المثال، تدعم معدات تصنيف خلايا الليثيوم من ACEY التحكم المستقل في القنوات، واختبار الشحن/التفريغ، وتسجيل البيانات، وتصنيف الخلايا. تدعم بعض الموديلات أيضًا استعادة الطاقة لتقليل استهلاك الطاقة أثناء اختبار التفريغ.

بالنسبة للشركات المصنعة التي تجمع حزم البطاريات الأسطوانية، يمكن استخدام جهاز تصنيف خلايا الليثيوم 5 فولت 20 أمبير 256 قناة لاختبار الشحن/التفريغ وتصنيف السعة للخلايا في نطاق قطر تقريبي 18-32 مم وطول 65-140 مم.بالنسبة لبطاريات الليثيوم المنشورية، توفر ACEY أيضًا جهاز اختبار شحن وتفريغ بطاريات 5 فولت 30 أمبير 128 قناة مصمم لتصنيف السعة واختبار الشحن/التفريغ للخلايا المنشورية.

• تحسين التكوين والتقادم
• لذلك، يمكن استخدام هذه الأنظمة كجزء مهم من عملية أوسع لمراقبة جودة خلايا البطارية.
• كيف يمكن للمصنعين تقليل التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم؟
• النهج الأكثر فعالية هو التحكم في التفريغ الذاتي في مرحلة التصنيع بدلاً من الاعتماد فقط على الفحص النهائي.
• 1. التحكم في التلوث المعدني

يجب التحكم في التلوث المعدني طوال إعداد المواد الخام وتصنيع الأقطاب الكهربائية.

تشمل تدابير التحكم المحتملة:فحص المواد الخامالكشف عن التلوث المعدني المغناطيسي

ترشيح الملاط

فحص سطح القطب الكهربائي

تنظيف المعداتالتحكم في الجسيمات الغريبةيجب إيلاء اهتمام خاص للجسيمات المعدنية التي قد تخلق مسارات موصلة داخل الخلية.

2. تقليل نُتوءات وغبار الأقطاب الكهربائية

يمكن أن يؤدي قطع الأقطاب الكهربائية والتعامل معها إلى توليد نُتوءات وجسيمات.

معلمات التقطيع

التعامل مع الأقطاب الكهربائية

عمليات اللف أو التكديس

• جمع الغبار
• نظافة خط الإنتاج
• يمكن أن يساعد تقليل الجسيمات والنُتوءات في تقليل احتمالية حدوث عيوب داخلية.
• 3. التحكم في الرطوبة
• يعد التحكم في الرطوبة جزءًا مهمًا آخر من تصنيع بطاريات الليثيوم.
• تشمل الإجراءات الموصى بها:

تجفيف الأقطاب الكهربائية بشكل صحيح

التحكم في رطوبة الغرفة الجافة

تقليل وقت التعرض بعد التجفيف

• التحكم في ظروف ملء الإلكتروليت
• تقليل تخزين العمل قيد التنفيذ (WIP) غير الضروري
• مراقبة رطوبة المواد قبل التجميع
• يساعد التحكم المتسق في الرطوبة في تقليل التفاعلات غير المرغوب فيها للإلكتروليت والأقطاب الكهربائية.
• 4. تحسين عمليات تكوين وتقادم الخلايا
• التكوين والتقادم هما مرحلتان مهمتان لإنشاء خصائص كهروكيميائية مستقرة.

أثناء الإنتاج، يمكن للشركات المصنعة مراقبة:

تيار الشحن

تيار التفريغ

• درجة حرارة الخلية
• وقت الراحة
• تغيرات OCV
• السعة
• المقاومة الداخلية
• يمكن فصل الخلايا غير الطبيعية التي تم تحديدها خلال هذه المراحل قبل دخولها عملية تجميع حزمة البطارية.
• 5. الجمع بين تصنيف السعة وفرز الجهد والمقاومة الداخلية (IR)

لا توفر السعة وحدها صورة كاملة لاتساق الخلية.

تصنيف السعة → فرز OCV/IR → مطابقة الخلايا → تجميع الحزمة

هذا النهج مفيد بشكل خاص لحزم البطاريات الأسطوانية والمنشورية حيث يؤثر اتساق الخلية بشكل مباشر على أداء الحزمة.

• خاتمة
• ينتج التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم عن مزيج من التسرب الداخلي وعيوب دوائر القصر الصغيرة والتفاعلات الكيميائية الجانبية. تعتمد شدة المشكلة على كيمياء البطارية والمواد وجودة التصنيع وحالة الشحن ودرجة الحرارة وظروف التخزين.
• بالنسبة لمصنعي البطاريات، فإن التحكم في التفريغ الذاتي ليس مجرد مسألة قياس الجهد بعد التخزين. يجب أن تشمل استراتيجية أكثر اكتمالاً:
• التحكم في التلوث المعدني
• تقليل نُتوءات وجسيمات الأقطاب الكهربائية
• التحكم في الرطوبة
• تحسين التكوين والتقادم
• إجراء اختبارات شحن/تفريغ دقيقة

تصنيف الخلايا وفقًا لخصائصها الكهربائية

يمكن لجهاز تصنيف خلايا الليثيوم الموثوق أن يلعب دورًا مهمًا في هذه العملية من خلال توفير اختبارات شحن/تفريغ مضبوطة، وجمع بيانات دقيقة، وتصنيف تلقائي للخلايا.

من خلال الجمع بين التحكم في عملية التصنيع والاختبار المنهجي للبطارية، يمكن للمصنعين تحسين اتساق الخلايا وبناء حزم بطاريات ليثيوم أيون أكثر موثوقية للمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة والأدوات الكهربائية والتطبيقات الأخرى.

ما هو التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم؟

كيف تختبر التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم؟

إحدى الطرق الشائعة هي شحن الخلايا إلى حالة شحن (SOC) مضبوطة، والسماح باستعادة الاستقطاب، وقياس جهد الدائرة المفتوحة (OCV) الأولي، وتخزين الخلايا في ظل ظروف مضبوطة، ثم قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCV) مرة أخرى. يمكن استخدام تغير الجهد خلال فترة التخزين كمؤشر لسلوك التفريغ الذاتي.

• هل يمكن لجهاز تصنيف خلايا البطارية اختبار التفريغ الذاتي؟
• يقوم جهاز تصنيف الخلايا بشكل أساسي بإجراء اختبارات الشحن/التفريغ والسعة المضبوطة بدلاً من استبدال اختبار تفريغ ذاتي مخصص طويل الأمد. ومع ذلك، فإن وظائفه الدقيقة للجهد والتيار والسعة وتسجيل البيانات يمكن أن تكون جزءًا مهمًا من عملية أوسع لاتساق الخلايا ومراقبة الجودة.
• لماذا يعتبر اتساق الخلايا مهمًا لحزم البطاريات؟
• يمكن للخلايا ذات السعات أو المقاومات الداخلية أو خصائص التفريغ الذاتي المختلفة أن تصبح غير متوازنة بشكل متزايد عند توصيلها على التوالي أو التوازي. يساعد مطابقة الخلايا بشكل أفضل في تحسين أداء حزمة البطارية والسعة القابلة للاستخدام والموثوقية على المدى الطويل.