سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2004 : نحوه آماده سازی باتری
How to prepare the battery
باتری برای آغاز به کار و داشتن عمری طولانی به چه چیزهایی نیاز دارد.
رفتار باتری از بسیاری جهات مشابه با انسان است. باتری برخورد لطیف را احساس می‌کند و عملکرد آن وابسته به مراقبتی است که از آن می‌شود. گویی که باتری احساس دارد و واکنش آن مطابق با سخاوتمندی است که در برخورد با آن وجود دارد. اما همانطور که تمام والدین مسئول بزرگ کردن یک خانواده می‌دانند، استثنائاتی هم وجود دارد؛ یعنی ممکن است همیشه آن سخاوتمندی خروجی‌های پیش‌بینی شده را به همراه نداشته باشد.
برای اینکه به یک سرپرست خوب تبدیل شوید، باید نیازهای اساسی باتری را درک کنید؛ موضوعی که در مدرسه به شما آموزش نمی‌دهند. این بخش به شما آموزش می‌دهد که برای یک باتری جدید چه کارهایی باید انجام دهید، چطور«غذای» مناسبی را برای آن فراهم کنید و وقتی می‌خواهید آن را برای مدتی طولانی کنار بگذارید چه کارهایی باید انجام دهید. همچنین در فصل ۷ به محدودیت‌های انتقال هوایی باتری‌ها و نحوه خلاص شدن از آن‌ها بعد از پایان عمر مفیدشان می‌پردازیم.
همانطور که نمی‌توان امید به زندگی یک شخص را در زمان تولد او پیش‌بینی کرد، اختصاص برچسب زمانی مشابه به یک باتری ممکن نیست. برخی از باتری‌ها برای مدت طولانی کار می‌کنند در حالیکه برخی دیگر خیلی زود به پایان عمر خود می‌رسند. شارژ نادرست، بارهای با دشارژ شدید و حرارت بدترین دشمن‌های باتری هستند. گرچه راه‌هایی برای حفاظت از باتری وجود دارند؛ اما همیشه دستیابی به وضعیت ایده‌آل ممکن نیست. در این فصل می‌بینیم که چطور می‌توان بیشترین بهره را از باتری‌ها برد.
آماده‌سازی یک باتری جدید
تمام باتری‌های جدید با قابلیت شارژ مجدد، ظرفیت نامی مشخص شده خود را ارائه نمی‌دهند و به قالب‌بندی نیاز دارند. با وجودی که انجام اینکار برای بسیاری از سیستم‌های باتری صادق است؛ اما تولید کنندگان باتری‌های یون لیتیوم با آن موافق نیستند. آن‌ها می‌گویند باتری‌های یون لیتیوم از همان ابتدا آماده هستند و نیازی به آماده‌سازی ندارند. گرچه شاید این گفته صحیح باشد؛ اما کاربران گزارش داده‌اند که بعد از ذخیره‌سازی طولانی مدت، در سیکل‌های استفاده از باتری مقداری افزایش ظرفیت را مشاهده کرده‌اند.
افراد سوال می‌کنند که «تفاوت بین قالب‌بندی و آماده‌سازی چیست؟» هر دو مورد به ظرفیت‌هایی می‌پردازند که بهینه‌سازی نشده‌اند و می‌توان آن‌ها را با سیکل استفاده از باتری بهبود داد. قالب‌بندی تکمیل کننده فرآیند ساختی است که به طور طبیعی حین استفاده و در زمان سیکل استفاده از باتری رخ می‌دهد.
نمونه‌ای مرسوم باتری‌های مبتنی بر سرب و نیکل هستند که همزمان با استفاده بهبود می‌یابند تا به طور کامل قالب‌بندی شوند. از سویی دیگر، آماده‌سازی سیکل‌های استفاده تحت شرایطی است که به عنوان اقداماتی برای بهبود عملکرد باتری در زمان استفاده یا بعد از ذخیره‌سازی طولانی مدت اعمال می‌شوند. آماده‌سازی اساساً مربوط به باتری‌های با پایه نیکل است.
باتری‌های سربی-اسیدی
قالب‌بندی یک باتری سربی-اسیدی با اعمال شارژ و در ادامه آن با یک دشارژ و شارژ مجدد انجام می‌شود. اینکار در کارخانه انجام می‌شود و در محل استفاده به عنوان بخشی از کاربرد روزمره تکمیل می‌شود.
متخصصان توصیه می‌کنند که با اعمال دوره‌های دشارژ سنگین، در ابتدا به باتری‌های جدید تنش وارد نکنیم؛ بلکه به آن‌ها اجازه دهیم مثل قهرمانی که برای وزنه‌برداری یا دو مسافت‌های طولانی تمرین می‌کند، با دشارژهای متوسط کار کند. اما به هر حال شاید اینکار برای باتری‌های راه‌انداز در وسایل نقلیه و کاربردهای دیگر ممکن نباشد. باتری‌های سربی-اسیدی معمولاً بعد از ۵۰ تا ۱۰۰ سیکل به پتانسیل ظرفیتی کامل می‌رسند. شکل ۱ طول عمر باتری‌های سربی-اسیدی را نشان می‌دهد.
شکل ۱ – طول عمر باتری‌های سربی-اسیدی
باتری سرب-اسیدی جدید ممکن است به طور کامل قالب‌بندی نشده باشد و فقط بعد از ۵۰ سیکل یا بیشتر به عملکرد کامل خود دست یابد. قالب‌بندی در زمان استفاده رخ می‌دهد؛ سیکل استفاده عمیق هم توصیه نمی‌شود؛ چون اینکار بی‌جهت سبب از بین رفتن تدریجی باتری می‌شود.
دیپ سایکل برای باتری‌های جدید حدود ۸۵ درصد است و وقتی به طور کامل قالب‌بندی شده باشند، به ۱۰۰ درصد یا نزدیک به ظرفیت کامل افزایش می‌یابد. برخی موارد پرت هم وجود دارند که در زمان تست با آنالیزور باتری مقدار ۶۵ درصد را برای دیپ سایکل نشان می‌دهند. سوال مطرح شده این است که «آیا این نمونه‌های با عملکرد ضعیف که بازیابی می‌شوند، بعد از قالب‌بندی به حد و اندازه‌های نمونه‌های قدرتمندتر خود می‌رسند؟» متخصصی با تجربه در حوزه باتری گفته که «این باتری‌ها تا حدودی بهبود می‌یابند اما زودتر از بقیه خراب می‌شوند».
کارکرد باتری استارتر، ارائه جریان بار بالا برای راه‌اندازی موتور است و این ویژگی از همان ابتدا بدون نیاز به قالب‌بندی و آماده‌سازی در دسترس است. شاید باعث تعجب راننده‌ها باشد؛ اما باتری استارتر با ۳۰ درصد افت ظرفیت، همچنان می‌تواند کار راه‌اندازی یک موتور را انجام دهد اما کاهش بیشتر از این مقدار می‌تواند باعث معطلی راننده در صبح یک روز کاری شود.
باتری‌های پایه نیکل
تولید کنندگان توصیه می‌کنند باتری‌های پایه نیکل جدید را بعد از ذخیره‌سازی طولانی مدت به مدت ۱۶ تا ۲۴ ساعت با جریان کم به گونه‌ای شارژ کنیم که به طور پیوسته در حالت ظرفیت کامل باقی بماند. اینکار به سلول‌ها اجازه می‌دهد که یکدیگر را تنظیم کنند و به سطح شارژ برابر برسند. همچنین شارژ آهسته به توزیع دوباره الکترولیت برای حذف نقاط خشک روی جداساز کمک می‌کند که شاید به خاطر گرانش به وجود آمده باشند.
باتری‌های پایه نیکل وقتی که از کارخانه خارج می‌شوند، به طور کامل قالب‌بندی نشده‌اند. اعمال چندین سیکل شارژ/دشارژ حین استفاده عادی یا با آنالیزور باتری، سبب تکمیل فرآیند قالب‌بندی می‌شود. تعداد سیکل‌های مورد نیاز برای دستیابی به ظرفیت کامل برای تولید کنندگان مختلف سلول‌ها با هم متفاوت است. سلول‌های با کیفیت بعد از ۵ تا ۷ سیکل مطابق با مشخصه‌های خود کار می‌کنند اما نمونه‌های ارزان‌تر برای دستیابی به سطح ظرفیت قابل قبول شاید به ۵۰ سیکل یا بیشتر نیاز داشته باشند.
وقتی کاربر انتظار داشته باشد باتری جدید با ظرفیت کامل کار کند، عدم قالب‌بندی سبب بروز مشکلاتی می‌شود. سازمان‌‌هایی که برای کاربردهای حساس از باتری‌ها استفاده می‌کنند باید به عنوان بخشی از کنترل کیفیت، عملکرد باتری را از طریق سیکل شارژ/دشارژ تأیید کنند. برنامه «آماده‌سازی» آنالیزور خودکار باتری (کَدِکْس) همان تعداد سیکل‌های مورد نیاز برای دستیابی به ظرفیت کامل را اعمال می‌کند.
همچنین وقتی باتری پایه نیکل برای چند ماه انرژی ذخیره کرده باشد، این سیکل‌ها سبب بازیابی ظرفیت از دست رفته می‌شوند. زمان ذخیره‌سازی، سطح شارژ و دمایی که باتری تحت آن انرژی را ذخیره کرده بود بر سادگی بازیابی اثر مستقیم دارند. هرچه ذخیره‌سازی طولانی‌تر و دما بالاتر باشد، برای دستیابی دوباره به ظرفیت کامل به سیکل‌های بیشتری نیاز داریم. آنالیزورهای باتری به کارکردهای آماده‌سازی باتری کمک کرده و تضمین می‌کنند که به ظرفیت مطلوب دست می‌یابیم.
باتری‌های یون لیتیوم
برخی از کاربران باتری اصرار دارند بعد از ذخیره‌سازی، لایه غیرفعال‌سازی روی کاتد سلول یون لیتیوم ایجاد می‌شود. گفته می‌شود این لایه که با نام لایه حفاظتی فصل مشترکی interfacial protective film (IPF) هم شناخته می‌شود، مانع جریان یافتن یون و سبب افزایش مقاومت داخلی شده و در بدترین حالت باعث اندود شدن لیتیوم می‌شود.
دیده شده که شارژ و مخصوصاً سیکل استفاده سبب حل شدن این لایه شده و برخی کاربران باتری ادعا کرده‌اند که روی گوشی هوشمند خود بعد از سیکل دوم یا سوم به ظرفیت بیشتری دست یافته‌اند، البته این مقدار افزایش ظرفیت کم بوده است.
دانشمندان به طور کامل طبیعت این لایه را درک نمی‌کنند و منابع اندک منتشر شده درباره این موضوع تنها به بررسی این امر پرداخته‌اند که بازیابی عملکرد با سیکل استفاده با حذف لایه غیرفعال‌سازی ارتباط دارد.
برخی از دانشمندان به کلی وجود لایه IPF را انکار می‌کنند و بیان می‌دارند که این ایده بیشتر یک گمان است و با مطالعات حال حاضر سازگاری ندارد. در هر صورت خروجی غیرفعال‌سازی یون لیتیوم هر چه که باشد، هیچ نظیری برای اثر «حافظه» باتری‌های NiCd وجود ندارد که برای جلوگیری از اتلاف ظرفیت به سیکل استفاده دوره‌ای نیاز دارند. ممکن است نشانه‌های آن‌ها مشابه باشند اما مکانیک موضوع کاملاً متفاوت است. این اثر را نمی‌توان با سولفاتاسیون باتری‌های سربی-اسیدی هم مقایسه کرد.
لایه شناخته شده‌ای که روی آند ایجاد می‌شود، سطح مشترک الکترولیت جامد solid electrolyte interface (SEI) است. SEI یک عایق الکتریکی است اما به اندازه کافی هدایت یونی دارد تا امکان عملکرد عادی را برای باتری به وجود آورد. گرچه لایه SEI ظرفیت را کاهش می‌دهد اما از باتری هم محافظت می‌کند. شاید باتری یون لیتیوم بدون SEI به طول عمر بلند خود دست پیدا نمی‌کرد.
لایه SEI به عنوان بخشی از فرآیند قالب‌بندی ایجاد می‌شود و تولید کنندگان با دقت زیاد برای انجام درست اینکار وقت می‌گذارند چون انجام ناقص اینکار می‌تواند سبب از دست رفتن دائمی ظرفیت شده و مقاومت داخلی را افزایش دهد. این فرآیند شامل چندین سیکل، شارژ شناور در دمای بالا و دوره‌های استراحتی است که ممکن است تکمیل آن‌ها چند هفته طول بکشد.
این دوره قالب‌بندی شامل کنترل کیفی هم می‌شود و به تطبیق سلول‌ها و همچنین مشاهده دشارژ داخلی با اندازه‌گیری ولتاژ سلول بعد از استراحت کمک می‌کند. دشارژ داخلی بالا حاکی از ناخالصی به عنوان بخشی از نقص تولید احتمالی اشاره دارد.
اکسیاش الکترولیت (EO) هم روی کاتد رخ می‌دهد. این امر به از دست رفتن دائمی ظرفیت و افزایش مقاومت داخلی منجر می‌شود. بعد از تشکیل، هیچ راه‌حلی برای حذف این لایه وجود ندارد؛ اما افزودنی‌های الکترولیت اثر آن را کم می‌کنند. نگه داشتن باتری یون لیتیوم در سطح ولتاژی بالاتر از ۴.۱۰ ولت به ازای هر سلول در دمای بالا، باعث افزایش اکسیاش الکترولیت می‌شود. مشاهدات میدانی نشان می‌دهند که ترکیب حرارت و ولتاژ بالا، می‌توانند تنش بیشتری نسبت به سیکل استفاده شدید برای باتری یون لیتیوم ایجاد کنند.
باتری‌های یون لیتیوم، سیستمی بسیار تمیز هستند که بعد از خروج از کارخانه به آماده‌سازی بیشتر نیازی ندارد و حتی به سطح تعمیر و نگهداری باتری‌های پایه نیکل هم نیاز ندارند. قالب‌بندی بیشتر تأثیر زیادی ندارد؛ چون ظرفیت بیشینه از همان ابتدا در دسترس است (یک مورد استثنا شاید افزایش کم ظرفیت بعد از ذخیره‌سازی طولانی مدت باشد). بعد از کاهش ظرفیت باتری، دشارژ کامل سبب بهبود ظرفیت نمی‌شود؛ ظرفیت کم نشانه پایان عمر باتری است. دشارژ/شارژ شاید سبب کالیبراسیون باتری «هوشمند» شود اما اینکار تأثیر زیادی بر بهبود باتری شیمیایی ندارد.
دستورالعمل‌هایی که توصیه می‌کنند باتری یون لیتیوم جدید را به مدت ۸ ساعت شارژ کنید به عنوان یک «سنت قدیمی» شناخته می‌شوند که از دوران باتری‌های قدیمی نیکلی باقی مانده‌اند.
باتری لیتیومی بدون قابلیت شارژ مجدد
باتری‌های اولیه لیتیومی مثل لیتیوم-تیونیل کلراید lithium-thionyl chloride (LTC) از غیرفعال‌سازی در ذخیره‌سازی بهره می‌برند. غیرفعال‌سازی لایه نازکی است که به عنوان بخشی از واکنش بین الکترولیت، آند لیتیومی و کاتد پایه کربن تشکیل می‌شود. (دقت شود که آند باتری‌های اولیه لیتیوم از جنس لیتیوم و کاند آن از گرافیت است که برعکس باتری‌های یون لیتیومی امروزی است).
بیشتر باتری‌های لیتیومی بدون این لایه نمی‌توانند عمل کنند چون لیتیوم سبب دشارژ داخلی سریعی شده و به سرعت باتری را از بین می‌برد. دانشمندان حوزه باتری حتی اینطور بیان می‌کنند که باتری بدون تشکیل لایه‌های لیتیوم کلراید منجفر می‌شود و همچنین لایه غیرفعال‌سازی مسئول حیات باتری و توانایی ذخیره‌سازی به مدت ۱۰ سال است.
دما و سطح شارژ سبب ایجاد لایه غیرفعال‌سازی می‌شوند. از بین بردن اثر غیرفعال‌سازی باتری LTC با شارژ کامل بعد از ذخیره‌سازی طولانی دشوارتر از باتری است که در سطح شارژ پایین نگهداری شده است. با وجودی که LTC باید در دمای سرد نگهداری شود اما از بین بردن اثر غیرفعال‌سازی در گرما بهتر عمل می‌کند چون افزایش هدایت حرارتی و تحرک‌پذیری یون‌ها به فرآیند کمک می‌کند.
| احتیاط | تنش فیزیکی یا حرارت اضافی به باتری اعمال نکنید. انفجارهای ناشی از مدیریت بی‌دقت سبب صدمات جدی به کارگران شده است. |
وقتی که برای اولین بار باری را به باتری متصل می‌کنیم لایه غیرفعال‌سازی یک تأخیر ولتاژی ایجاد می‌کند و شکل ۲ افت و بازیابی باتری‌ها تحت تأثیر سطوح غیرفعال‌سازی مختلف را نشان می‌دهد. باتری A حداقل افت ولتاژ را نشان می‌دهد در حالیکه باتری C به زمانی برای بازیابی نیاز دارد.
شکل ۲- رفتار ولتاژ در زمان اعمال بار به باتری با لایه غیرفعال‌سازی
باتری A غیرفعال‌سازی متوسطی دارد، B به زمان بیشتری برای بازیابی نیاز دارد و C بیشترین تأثیر را می‌پذیرد.
با تشکر از مجله EE Times.
LTC در دستگاه‌هایی که به جریان کمی نیاز دارند، مانند حسگرهای عوارض جاده‌ای یا کنتورها، شاید لایه غیرفعال‌سازی ایجاد کنند که به نقص عملکرد منجر شود و حرارت رسعت رشد چنین لایه‌ای را افزایش می‌دهد. اغلب می‌توان با اضافه کردن یک خازن بزرگ به صورت موازی با باتری این مشکل را برطرف کرد. باتری که مقاومت داخلی بالایی ایجاد کرده همچنان می‌تواند با ارائه پالس‌های قوی موردی خازن را شارژ کند؛ زمان آماده به کار در این بین به شارژ دوباره خازن اختصاص می‌یابد.
برای کمک به جلوگیری از سولفاتاسیون در زمان ذخیره‌سازی، برخی از باتری‌های لیتیومی با یک مقاومت ۳۶ کیلواهمی همراه هستند که به عنوان بار پارازیتی عمل می‌کند. جریان کم دشارژ پیوسته از ضخیم شدن لایه جلوگیری می‌کند اما این امر عمر ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد. گفته می‌شود که بعد از ۲ سال ذخیره‌سازی با مقاومت ۳۶ کیلواهمی، باتری‌ها هنوز ۹۰ درصد ظرفیت دارند. راه‌حل دیگر الحاق دستگاهی است که پالس‌های دشارژ دوره‌ای را حین ذخیره‌سازی اعمال می‌کند.
تمام باتری‌های لیتیومی اولیه در زمان نصب در یک دستگاه و در زمان اعمال بار بازیابی نمی‌شوند. ممکن است جریان برای معکوس کردن غیرفعال‌سازی خیلی کم باشد. همچنین ممکن است تجهیزات مد نظر به خاطر سطح شارژ پایین یا وجود نقص، باتری غیرفعال‌سازی شده را پس بزنند. بسیاری از این باتری‌ها را می‌توان با آنالیزور باتری (کدکس) و با اعمال بار کنترل شده آماده کرد. پس آنالیزور قبل از بکارگیری باتری در محل مورد نظر، کارکرد مناسب آن را تأیید می‌کند.
جریان دشارژ مورد نیاز برای از بین بردن اثر غیرفعال‌سازی نرخ C بین 1C تا 3C (۱ تا ۳ برابر ظرفیت نامی) است. در زمان اعمال بار ولتاژ سلول باید به مقدار ۳.۲ ولت بازیابی شود؛ زمان سرویس معمولاً ۲۰ ثانیه است. امکان تکرار فرآیند وجود دارد اما نباید بیشتر از ۵ دقیقه طول بکشد. با بار 1C، ولتاژ سلول با کارکرد مناسب باید بالای ۳ ولت باقی بماند. افت به زیر ۲.۷ ولت به معنای پایان عمر باتری است.
این باتری‌های فلز لیتیوم، محتوای لیتیوم زیادی دارند و نسبت به باتری‌های یون لیتیوم با آمپرساعت مشابه باید با تمهیدات سختیگرانه‌تری حمل شوند.
به خاطر انرژی مخصوص بالا، در جابه‌جایی و مدیریت این سلول‌ها باید مراقبت زیادی را مد نظر قرار داد.
| احتیاط | در زمان شارژ باتری سربی-اسیدی بدون منفذ با اضافه ولتاژ، برای محافظت از باتری باید محدودسازی جریان را مد نظر قرار داد. همیشه حد جریان را در کمترین حد ممکن تنظیم کنید و در زمان شارژ ولتاژ و دما را تحت نظر داشته باشید.
در صورت شکاف برداشتن، نشت الکترولیت و یا هرگونه مواجه با الکترولیت فوراً از آب برای شستشو استفاده کنید. اگر برخورد با چشم اتفاق افتاد به مدت ۱۵ دقیقه آن را با آب شستشو دهید و فوراً به دکتر مراجعه کنید. در زمان لمس الکترولیت، سرب و کادمیوم از دستکش‌های استاندارد استفاده کنید. در زمان برخورد این مواد با پوست به سرعت آن را با آب شستشو دهید. |
پیشنهاد : مراقبت از باتری و بایدها و نبایدهای مرتبط با آن
