كيفية تحضير البطاريات

من نواحٍ عديدة، تتصرف البطارية مثل الإنسان. فهي تستشعر الإحسان الممنوح وترد على الإحسان الممنوح. كما لو أن البطارية لديها مشاعر وترد على الإحسان الممنوح. ولكن هناك استثناءات، كما يعلم أي والد يربي أسرة؛ وقد لا يحقق الكرم الممنوح العوائد المتوقعة دائمًا.

لكي تصبح حارسًا جيدًا، يجب أن تفهم الاحتياجات الأساسية للبطارية، وهو موضوع لا يتم تدريسه في المدرسة. يعلّم هذا القسم ما يجب فعله عندما تكون البطارية جديدة، وكيفية إطعامها "الغذاء" المناسب وما يجب فعله عند وضع العبوة جانباً لفترة من الوقت. يبحث الفصل 7 أيضاً في القيود المفروضة عند السفر بالبطاريات جواً وكيفية التخلص منها عند انتهاء عمرها النافع.

وكما لا يمكن التنبؤ بالعمر المتوقع للشخص عند الولادة، كذلك لا يمكننا التنبؤ بتاريخ ختم البطارية. فبعض العبوات تعيش حتى سن الشيخوخة بينما يموت البعض الآخر في سن مبكرة. فالشحن غير الصحيح، وأحمال التفريغ القاسية والتعرض للحرارة هي أسوأ أعداء البطارية. على الرغم من وجود طرق لحماية البطارية، إلا أن الوضع المثالي لا يمكن تحقيقه دائماً. يناقش هذا الفصل كيفية تحقيق أقصى استفادة من بطارياتنا.

تجهيز بطارية جديدة
لا توفر جميع البطاريات القابلة لإعادة الشحن السعة المقدرة عندما تكون جديدة، وهي تتطلب تهيئة. وبينما ينطبق هذا الأمر على معظم أنظمة البطاريات، إلا أن مصنعي بطاريات الليثيوم أيون يختلفون مع ذلك. فهم يقولون إن بطاريات الليثيوم أيون جاهزة عند الولادة ولا تحتاج إلى تهيئة. على الرغم من أن هذا قد يكون صحيحاً، فقد أبلغ المستخدمون عن بعض المكاسب في السعة عن طريق التدوير بعد تخزين طويل.

"يتساءل الناس "ما الفرق بين التنسيق والتهيئة؟ كلاهما يعالج القدرات التي لم يتم تحسينها ويمكن تحسينها مع التدوير. التهيئة تكمل عملية التصنيع التي تحدث بشكل طبيعي أثناء الاستخدام عند تدوير البطارية. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك البطاريات القائمة على الرصاص والنيكل التي تتحسن مع الاستخدام حتى تتم تهيئتها بالكامل. أما التهيئة من ناحية أخرى، فهي دورة تكييف يتم تطبيقها كخدمة لتحسين أداء البطارية أثناء الاستخدام أو بعد التخزين لفترات طويلة. ويتعلق التهيئة أساساً بالبطاريات القائمة على النيكل.

حمض الرصاص
تتم عملية تهيئة بطارية حمض الرصاص عن طريق تطبيق شحن، يتبعه تفريغ وإعادة شحن. ويتم ذلك في المصنع ويكتمل في الميدان كجزء من الاستخدام المنتظم. وينصح الخبراء بعدم إجهاد البطارية الجديدة من خلال تفريغها من الشحنات الثقيلة في البداية، بل العمل تدريجياً على تفريغها بتفريغات معتدلة، كما يتدرب الرياضي على رفع الأثقال أو الجري لمسافات طويلة. ومع ذلك، قد لا يكون ذلك ممكناً مع بطارية بدء التشغيل في السيارة والاستخدامات الأخرى. يصل حمض الرصاص عادةً إلى السعة الكاملة المحتملة بعد 50 إلى 100 دورة. يوضح الشكل 1 العمر الافتراضي لحمض الرصاص.

عمر حمض الرصاص الحمضي

الشكل 1: العمر الافتراضي لحمض الرصاص الحمضي
قد لا تتم تهيئة بطارية حمض الرصاص الجديدة بشكل كامل ولا تصل إلى الأداء الكامل إلا بعد 50 دورة أو أكثر. تحدث التهيئة أثناء الاستخدام؛ لا يوصى بالتدوير المتعمد لأن ذلك قد يؤدي إلى تآكل البطارية دون داعٍ.

تبلغ نسبة البطاريات ذات الدورة العميقة حوالي 85 بالمائة عندما تكون جديدة وستزيد إلى 100 بالمائة، أو قريبة من السعة الكاملة، عند تهيئتها بالكامل. هناك بعض القيم المتطرفة التي تصل إلى 65 في المئة عند اختبارها باستخدام محلل البطاريات. والسؤال المطروح هو: "هل ستتعافى هذه البطاريات ذات الأداء المنخفض وتقف في وجه إخوتها الأقوى عند تهيئتها؟ قال أحد خبراء البطاريات المخضرمين إن "هذه البطاريات ستتحسن إلى حد ما لكنها أول من يفشل".

تكمن وظيفة بطارية بادئ التشغيل في توفير تيارات تحميل عالية لتدوير المحرك، وهذه السمة موجودة منذ البداية دون الحاجة إلى التهيئة والتجهيز الأولي. ومما يثير دهشة العديد من سائقي السيارات، أن قدرة بطارية بادئ التشغيل يمكن أن تتلاشى إلى 30 بالمائة مع الاستمرار في تشغيل المحرك؛ ولكن قد يؤدي الانخفاض الإضافي إلى تقطع السبل بالسائق في صباح أحد الأيام. انظر أيضاً BU-904: كيفية قياس السعة)

النيكل
ينصح المصنعون بشحن بطارية النيكل لمدة تتراوح بين 16 و24 ساعة عندما تكون جديدة وبعد تخزينها لفترة طويلة. يسمح ذلك للخلايا بالتأقلم مع بعضها البعض والوصول بها إلى مستوى شحن متساوٍ. ويساعد الشحن البطيء أيضاً على إعادة توزيع الإلكتروليت للتخلص من البقع الجافة على الفاصل التي قد تكون قد تطورت بفعل الجاذبية.

لا تتم دائماً تهيئة البطاريات التي أساسها النيكل بشكل كامل عند مغادرة المصنع. إن تطبيق عدة دورات شحن/تفريغ من خلال الاستخدام العادي أو باستخدام محلل البطارية يكمل عملية التهيئة. يختلف عدد الدورات المطلوبة للوصول إلى السعة الكاملة بين الشركات المصنعة للخلايا. تعمل الخلايا عالية الجودة وفقًا للمواصفات بعد 5-7 دورات، بينما قد تحتاج البدائل منخفضة التكلفة إلى 50 دورة أو أكثر للوصول إلى مستويات سعة مقبولة.

يتسبب عدم التنسيق في حدوث مشكلة عندما يتوقع المستخدم أن تعمل البطارية الجديدة بكامل طاقتها خارج الصندوق. يجب على المؤسسات التي تستخدم البطاريات للتطبيقات ذات المهام الحرجة التحقق من الأداء من خلال دورة تفريغ/شحن كجزء من مراقبة الجودة. يطبق البرنامج "الرئيسي" لأجهزة التحليل الآلي للبطاريات (Cadex) العديد من الدورات اللازمة للوصول إلى السعة الكاملة.

يستعيد التدوير أيضاً السعة المفقودة عندما يتم تخزين بطارية قائمة على النيكل لبضعة أشهر. يتحكم وقت التخزين وحالة الشحن ودرجة الحرارة التي يتم تخزين البطارية تحتها في سهولة الاستعادة. فكلما طالت فترة التخزين وكلما كانت درجة الحرارة أكثر دفئاً، كلما تطلب الأمر المزيد من الدورات لاستعادة السعة الكاملة. تساعد أجهزة تحليل البطاريات في وظائف التحضير والتأكد من تحقيق السعة المطلوبة.

ليثيوم أيون
يصر بعض مستخدمي البطاريات على أن طبقة تخميل تتطور على كاثود خلية الليثيوم أيون بعد التخزين. ويقال إن هذه الطبقة المعروفة أيضًا باسم الطبقة الواقية البينية (IPF)، تقيد تدفق الأيونات، وتسبب زيادة في المقاومة الداخلية، وفي أسوأ الحالات، تؤدي إلى طلاء الليثيوم. ومن المعروف أن الشحن، وتدوير البطارية بفعالية أكبر، يؤدي إلى إذابة هذه الطبقة، ويدّعي بعض مستخدمي البطاريات أنهم اكتسبوا وقت تشغيل إضافي بعد الدورة الثانية أو الثالثة على الهاتف الذكي، وإن كان ذلك بمقدار ضئيل.

لا يفهم العلماء طبيعة هذه الطبقة بشكل كامل، والمصادر القليلة المنشورة حول هذا الموضوع تتكهن فقط بأن استعادة الأداء مع التدوير مرتبط بإزالة طبقة التخميل. وينكر بعض العلماء صراحةً وجود طبقة التخميل المتكاملة، قائلين إن الفكرة تخمينية للغاية ولا تتفق مع الدراسات الحالية. ومهما كانت النتيجة على تخميل بطاريات الليثيوم أيون، فلا يوجد ما يوازي تأثير "الذاكرة" مع بطاريات النيكل التي تتطلب تدويراً دورياً لمنع فقدان السعة. قد تبدو الأعراض متشابهة ولكن الآليات مختلفة. كما لا يمكن مقارنة التأثير بكبريتات بطاريات حمض الرصاص.

الطبقة المعروفة التي تتراكم على الأنود هي واجهة الإلكتروليت الصلبة للإلكتروليت الصلب (SEI). وتعد SEI عازلًا كهربائيًا ولكنها تتمتع بتوصيلية أيونية كافية للسماح للبطارية بالعمل بشكل طبيعي. وبينما تقلل طبقة SEI من السعة، فإنها تحمي البطارية أيضاً. وبدون SEI، قد لا تحصل بطارية ليثيوم أيون على طول العمر الذي تتمتع به. (انظر BU-307: كيف يعمل المنحل بالكهرباء؟)

تتطور طبقة SEI كجزء من عملية التشكيل، ويحرص المصنعون على القيام بذلك بشكل صحيح، حيث يمكن أن تتسبب عملية التجميع في فقدان دائم للقدرة وارتفاع في المقاومة الداخلية. وتتضمن العملية عدة دورات وشحنات عائمة في درجات حرارة مرتفعة وفترات راحة قد تستغرق عدة أسابيع حتى تكتمل. توفر فترة التكوين هذه أيضًا مراقبة الجودة وتساعد في مطابقة الخلية، بالإضافة إلى مراقبة التفريغ الذاتي من خلال قياس جهد الخلية بعد فترة الراحة. يشير التفريغ الذاتي العالي إلى الشوائب كجزء من عيب محتمل في التصنيع.

تحدث أكسدة الإلكتروليت (EO) أيضًا على المهبط. ويتسبب ذلك في فقدان دائم للقدرة ويزيد من المقاومة الداخلية. لا يوجد علاج لإزالة الطبقة بمجرد تكوينها ولكن إضافات الإلكتروليت تقلل من التأثير. إن إبقاء الليثيوم أيون عند جهد كهربائي أعلى من 4.10 فولت/خلية أثناء وجود درجة حرارة مرتفعة يعزز أكسدة الإلكتروليت. تُظهر الملاحظة الميدانية أن الجمع بين الحرارة والجهد العالي يمكن أن يجهد الليثيوم أيون أكثر من التدوير القاسي.

إن الليثيوم-أيون نظام نظيف للغاية ولا يحتاج إلى تهيئة إضافية بمجرد خروجه من المصنع، كما أنه لا يتطلب مستوى الصيانة الذي تتطلبه البطاريات التي تعتمد على النيكل. لا يحدث التنسيق الإضافي فرقاً كبيراً لأن السعة القصوى متوفرة منذ البداية (قد يكون الاستثناء هو زيادة صغيرة في السعة بعد تخزين طويل). لا يؤدي التفريغ الكامل إلى تحسين السعة بمجرد تلاشي البطارية - حيث تشير السعة المنخفضة إلى نهاية العمر الافتراضي. قد يؤدي التفريغ/الشحن إلى معايرة بطارية "ذكية" ولكن هذا لا يفعل الكثير لتحسين البطارية الكيميائية. (أنظر BU-601: العمل الداخلي للبطارية الذكية.) يتم شطب التعليمات التي توصي بشحن بطارية ليثيوم أيون جديدة لمدة 8 ساعات على أنها "مدرسة قديمة"، وهي من بقايا أيام بطاريات النيكل القديمة.

ليثيوم غير قابل للشحن
تستفيد بطاريات الليثيوم الأولية، مثل بطاريات الليثيوم ثيونيل كلوريد الليثيوم (LTC)، من التخميل في التخزين. والتخميل عبارة عن طبقة رقيقة تتشكل كجزء من التفاعل بين الإلكتروليت وأنود الليثيوم والكاثود الكربوني. (لاحظ أن أنود بطارية الليثيوم الأساسية هو الليثيوم والكاثود هو الجرافيت، وهو عكس الليثيوم أيون).

وبدون هذه الطبقة، لا يمكن لمعظم بطاريات الليثيوم أن تعمل لأن الليثيوم سيتسبب في تفريغ ذاتي سريع للبطارية ويؤدي إلى تدهور البطارية بسرعة. حتى أن علماء البطاريات يقولون أن البطارية ستنفجر بدون تكوين طبقات كلوريد الليثيوم وأن طبقة التخميل هي المسؤولة عن وجود البطارية والقدرة على التخزين لمدة 10 سنوات.

تعمل درجة الحرارة وحالة الشحن على تعزيز تراكم طبقة التخميل. يصعب إزالة تخميل LTC المشحون بالكامل بعد تخزينه لفترة طويلة مقارنةً بالطبقة التي تم الاحتفاظ بها بشحنة منخفضة. في حين يجب تخزين LTC في درجات حرارة باردة، فإن إزالة التخميل تعمل بشكل أفضل عندما تكون دافئة حيث تساعد زيادة التوصيل الحراري وحركة الأيونات في العملية.

تنبيه لا تستخدم الشد البدني أو الحرارة الزائدة على البطارية. فقد سببت الانفجارات الناجمة عن الإهمال في التعامل معها إصابات خطيرة للعمال...
تتسبب طبقة التخميل في تأخير الجهد عند تطبيق الحمل لأول مرة على البطارية، ويوضح الشكل 2 الانخفاض والاسترداد مع البطاريات المتأثرة بمستويات تخميل مختلفة. توضح البطارية A انخفاضاً بسيطاً في الجهد بينما تحتاج البطارية C إلى وقت للتعافي.

الشكل 2: سلوك الجهد عند تطبيق حمل على بطارية مخمّدة [1]
تعاني البطارية (أ) من تخميل خفيف، بينما تستغرق البطارية (ب) وقتًا أطول لاستعادتها، وتتأثر البطارية (ج) أكثر من غيرها.
قد تتطور طبقة تخميل في الأجهزة التي تسحب تيارًا منخفضًا جدًا، مثل مستشعر لرسوم الطرق أو القياس، مما قد يؤدي إلى حدوث خلل في الجهاز، وتعزز الحرارة هذا النمو. يمكن حل هذه المشكلة غالبًا بإضافة مكثف كبير بالتوازي مع البطارية. لا تزال البطارية التي طورت مقاومة داخلية عالية قادرة على شحن المكثف لتوصيل النبضات العالية العرضية؛ ويتم تخصيص وقت الانتظار بينهما لإعادة شحن المكثف.

للمساعدة في الوقاية من الكبريتات أثناء التخزين، يتم شحن بعض بطاريات الليثيوم مع مقاوم 36kΩ ليكون بمثابة حمل طفيلي. تيار التفريغ المنخفض الثابت يمنع الطبقة من النمو السميك للغاية، ولكن هذا سيقلل من عمر التخزين. بعد التخزين لمدة عامين باستخدام المقاوم 36kΩ، يقال إن البطاريات لا تزال تتمتع بسعة 90 في المائة. وهناك علاج آخر هو توصيل جهاز يطبق نبضات تفريغ دورية أثناء التخزين.

لا تتعافى جميع بطاريات الليثيوم الأساسية عند تركيبها في جهاز وعند تطبيق حمل. قد يكون التيار منخفضاً جداً لعكس التخميل. ومن الممكن أيضاً أن ترفض المعدات البطارية المخمّلة باعتبارها منخفضة الشحن أو معيبة. يمكن تحضير العديد من هذه البطاريات باستخدام محلل البطاريات (Cadex) عن طريق تطبيق حمل متحكم به. ثم يتحقق المحلل بعد ذلك من الوظيفة السليمة قبل تشغيل البطارية في الميدان.

تيار التفريغ المطلوب لإزالة التخميل هو معدل C من 1C إلى 3C (1 إلى 3 أضعاف السعة المقدرة). يجب أن يتعافى جهد الخلية إلى 3.2 فولت عند تطبيق الحمل؛ وعادةً ما يكون وقت الخدمة 20 ثانية. يمكن تكرار العملية ولكن يجب ألا تستغرق أكثر من 5 دقائق. مع حمولة 1C، يجب أن يبقى جهد الخلية التي تعمل بشكل صحيح فوق 3.0 فولت. الانخفاض إلى أقل من 2.7 فولت يعني نهاية العمر الافتراضي. (انظر BU-106: البطاريات الأولية)

تحتوي بطاريات الليثيوم المعدني هذه على نسبة عالية من الليثيوم ويجب أن تتبع متطلبات شحن أكثر صرامة من بطاريات الليثيوم أيون من نفس السعة Ah. (انظر BU-704a: شحن البطاريات القائمة على الليثيوم عن طريق الجو) بسبب الطاقة النوعية العالية، يجب توخي الحذر الشديد في التعامل مع هذه الخلايا.