خود تخلیه باتری؛ پایان عمر باتری!

در چند مقاله پیش راجع به از بین رفتن الکترولیت باتری که باعث کاهش عمر آن می‌شود، صحبت کردیم.اما در این مقاله قصد داریم تا شما را با یک ویژگی جالب توجه باتری آشنا کنیم؛ فاجعه خود تخلیه باتری که اغلب نادیده گرفته می‌شود.

خود تخلیه باتری چیست؟

خود تخلیه باتری‌ها فرآیندی دائمی است که قابل بازگشت نمی‌باشد. همانطور که از نام این فرآیند پیداست باتری ها تحت شرایطی خاص به صورت خودکار اقدام به خالی کردن خودکار شارژ خود می‌کنند.

تمام باتری‌ها تحت تأثیر خود تخلیه قرار می‌گیرند. خود تخلیه باتری نقصی تولیدی نیست بلکه یک ویژگی مختص به باتری‌ها می‌باشد. اما شیوه‌های ساخت ضعیف باتری و دستکاری نامناسب مربوط به خود‌تخلیگی می‌تواند باعث بروز مشکلات زیادی شود.

انواع خودتخلیگی

در شکل زیر با سه نوع خود تخلیگی باتری مواجه می‌شوید.
1- تخلیه خود سلول جدید لیتیوم یونی
2- سلولی که تحت تخلیه‌های عمیق اجباری قرار گرفته
3- تخلیه‌ی کامل که 14 روز کوتاه شده و دوباره شارژ می شود.

سلولی که بیش از 2.50 ولت در سلول در معرض ترشحات عمیق قرار گرفت، خود تخلیه کمی نسبت به سلول جدید را نشان می‌دهد. بزرگترین تخلیه خود با سلول که در صفر ولت ذخیره شده قابل مشاهده است.

شکل زیر نیز خود تخلیگی باتری اسید سرب را در دمای مختلف محیط نشان می‌دهد.

در دمای اتاق 20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت)، تخلیه خودکار تقریباً 3٪ در ماه است و باتری را می‌توان 12 ماه ذخیره کرد. بدون شارژ با دمای گرم 30 درجه سانتیگراد (86 درجه فارنهایت)، خود تخلیه افزایش یافته و پس از 6 ماه نیاز به شارژ مجدد خواهد داشت.

اجازه دهید برای مدتی باتری به زیر 60 درصد SoC برسد، باعث سولفات شدن می‌شود.

فرایند اتلاف انرژی در خودتخلیگی

اتلاف انرژی‌ها همگام است، به این معنی که خود تخلیه باتری دقیقاً پس از شارژ بیشتر اتفاق افتاده و سپس کم می‌شود.

تخلیه خودکار تمام مواد شیمیایی باتری در دمای بالاتر افزایش می‌یابد و میزان آن به طور معمول با هر 10 درجه سانتیگراد (18 درجه فارنهایت) دو برابر می‌شود.

تعداد چرخه بالا و افزایش طول عمر باتری نیز باعث تخلیه خود سیستم در همه سیستم‌ها می‌شود.

به مثال های زیر توجه کنید:

تخلیه خودکار باتری مبتنی بر نیکل

باتری‌های مبتنی بر نیکل در 24 ساعت اول پس از شارژ ، 15-15 درصد ظرفیت خود و سپس ماهانه 10-15 درصد از ظرفیت خود را از دست می‌دهند. تخلیه خودکار باتری قدیمی مبتنی بر نیکل می‌تواند به قدری زیاد شود که بسته به جای استفاده عادی، از نشت بسته می‌شود.

تخلیه خودکار باتری لیتیوم یون

در شرایط عادی، تخلیه خودکار لیتیوم یون در طول عمر مفید آن ثابت است. با این حال، حالت شارژ کامل و دمای بالا باعث افزایش خود تخلیگی باتری می‌شود. همین عوامل در طول عمر باتری نیز تأثیر دارند. علاوه بر این، لیتیم یونی که كاملاً شارژ شده، نسبت به یكی كه به طور کامل شارژ نشده است، مستعد خرابی بیشتر می‌باشد.

جدول زیر وضعیت خود تخلیه لیتیوم یون در هر ماه، دما‌های مختلف و حالت شارژ آن را نشان می‌دهد.

خود‌تخلیگی زیاد در حالت شارژ کامل و دمای بالا تعجب آور است.

یون لیتیوم نباید زیر سلول 2.50 ولت تخلیه شود زیرا در این صورت مدار محافظ خاموش شده و بیشتر شارژرها باتری را در آن حالت شارژ نمی‌کنند.

به عنوان راه حل، معمولا یک برنامه “تقویت کننده” با استفاده از جریان شارژ ملایم برای راه‌اندازی مدار محافظ، باتری را به ظرفیت کامل خود باز می‌گرداند.

مقایسه باتری‌ها در میزان خودتخلیگی

عمل خود تخلیگی باتری با گذر طول عمر باتری، چرخش بیشتر و افزایش دما افزایش می‌یابد.

اما میزان خود تخلیه الکتریکی با توجه به نوع باتری و مواد شیمیایی متفاوت است. مثلا سلول‌های اولیه مانند لیتیوم-فلز و فلز قلیایی، انرژی ذخیره شده را به بهترین نحو حفظ کرده و می‌توانند برای چندین سال در انبار نگهداری شوند.
پس دست مریزاد به لیتیوم فلز و فلز قلیایی!

در بین باتری‌های قابل شارژ، اسید سرب کمترین میزان خود تخلیه باتری را دارد و فقط حدود 5 درصد انرژی در ماه را از دست می‌دهد. با این وجود، سرب غرقاب شده باعث رسوب نوعی لجن شده، که با رسیدن این ماده نیمه رسانا به صفحات، از میزان کارایی آن کاسته می‌شود.

خود تخلیه انواع باتری‌ها به عنوان تابعی از زمان

بالاترین میزان تخلیه بلافاصله پس از شارژ شدن باتری اتفاق می‌افتد اما پس از آن، در هر باتری فرآیند متفاوتی طی می‌شود.

باتری نیکل-هیدرید فلز و نیکل-کادمیم

باتری‌های نیکل– هیدرید فلز (NiMH) و باتری‌های نیکل–کادمیم (NiCd) جزء باتری‌های قابل شارژ هستند که بالاترین میزان خود تخلیه باتری را دارند. حتی قبل از استفاده از آن‌ها وقتی چند هفته بلااستفاده باقی می‌مانند، نیاز به شارژ مجدد دارند. عملکرد بالای NiCd نسبت به نسخه های استاندارد از خود تخلیه باتری بالاتری برخوردار است. علاوه بر این ، تخلیه خود با استفاده و گذر عمر باتری افزایش می‌یابد، که از عوامل موثر آن، تشکیل بلوری (حافظه) در آن است. سیکل تخلیه کامل منظم، حافظه را کنترل می‌کند. فلز نیکل-هیدرید برای 300-400 چرخه مناسب است در حالی که نیکل-کادمیوم به طور استاندارد بیش از 1000 چرخه تا قبل از اینکه به طور کامل تخلیه شود، دوام می‌آورد.

باتری لیتیوم یون

لیتیوم یون در 24 ساعت اول حدود 5 درصد تخلیه می‌شود و سپس 1-2 درصد انرژی در ماه را از دست می‌دهد. به مرور با کمک مدار محافظت، 3 درصد دیگر در ماه اضافه می‌کند.

در این نوع باتری یک جدا کننده معیوب می‌تواند منجر به افزایش خود تخلیه باتری شود که می‌تواند به یک مسیر جریان تبدیل شده، گرما تولید کند و در حالتی شدید، یک خرابی حرارتی را شروع کند.

همچنین از منظر خود تخلیه باتری‌ها، اسید سرب مشابه لیتیوم یون است.

خود تخلیه در سیستم‌های مختلف باتری

جدول زیر خلاصه خود تخلیه باتری مورد انتظار از سیستم‌های مختلف باتری را بیان می‌کند.

موارد احتیاطی در مقابل خود تخلیگی

1- لیتیوم یون هنگام تخلیه زیر سلول 50/2 ولت از کار می‌افتد. در این مواقع دندريت‌های مس در صورتي كه سلول به آن‌ها اجازه دهد بيش از يك هفته در حالت ولتاژ پايين ساكن شوند، رشد مي‌كنند. این اتفاق منجر به افزایش خود تخلیگی باتری شده و ایمنی را به خطر می‌اندازد.

2- مکانیسم‌های خود تخلیه نیز باید در تولید رعایت شوند. آنها از خوردگی تا ناخالصی در الکترودها متغیر هستند که در تغییرات خود تخلیه نه تنها از یک گروه به دسته دیگر، بلکه سلول به سلول دیگر نیز تشکیل می‌شود. یک تولید کننده با کیفیت تخلیه خود سلول را بررسی کرده و آن‌هایی را که خارج از تلرانس هستند را رد می‌کند.

3- شارژ و تخلیه منظم باعث رسوب ناخواسته فلز لیتیوم بر روی آنُد (الکترود منفی) لیتیوم یون می‌شود و در نتیجه باعث از بین رفتن ظرفیت موجودی لیتیوم و ایجاد یک اتصال کوتاه داخلی می‌شود.

4- رسوب ناخواسته لیتیوم همچنین مقاومت داخلی را کاهش داده که به مرور می‌تواند توانایی بارگیری را نیز کاهش دهد.

5- اگر باتری در وسیله نقلیه داغ باقی بماند، افت انرژی قابل ملاحظه‌ای رخ می‌دهد.

کلام آخر

در این مقاله تلاش کردیم شما را یا واقعه خودتخلیگی باتری‌ها آشنا کنیم و بدانید. پس بعد از خواندن این مقاله متوجه می‌شوید که علی‌رغم تازه خریدن یک باتری یا عدم استفاده از آن، باید منتظر کاهش کارایی برخی از باتری‌ها بود.

به عنوان نکته آخر توجه داشته باشید که اگر میزان خود تخلیه باتری در 24 ساعت به 30 درصد رسید، باتری را دور بیندازید. چون این باتری دیگر باتری بشو نیست!

منابع

باتری یونیورسیتی