طرز کار باتری‌های لیتیوم-یونی در انتقال یون‌ها از قطب مثبت به منفی خلاصه شده است. در تئوری این مکانیسم باید تا ابد ادامه پیدا کند، اما در عمل با هر بار شارژ و دشارژ، افزایش دما و گذشت زمان کارایی باتری کاهش پیدا میکند. بنابراین کمپانی‌های سازنده باتری طول عمر باتری‌ها را برای بسیاری از لوازم بین 300 الی 500 سیکل شارژ و دشارژ تعیین میکنند.

اما مشخص کردن طول عمر یک باتری بر اساس سیکل‌های استفاده از آن روش دقیقی نیست، چراکه دشارژ شدن یک باتری میتواند در عمق‌های متفاوتی رخ دهد و هیچ تعریف استانداردی برای از اینکه پارامترهای یک سیکل کامل چیست وجود ندارد.

در این پست میخواهیم به بررسی عوامل کاهش دهنده و افزایش دهنده طول عمر یک باتری لیتیوم-یونی بپردازیم.

 

تعاریف:

SoC: مخفف State of Charge (وضعیت شارژ) بوده و مؤلفه‌ای بر حسب درصد برای نمایش مقدار انرژی باقی‌مانده در باتری‌ها است. بطور مثال وقتی میگوییم فلان باتری 100% شارژ دارد یعنی باتری مورد نظر ما کاملاً پر است و وقتی میگوییم باتری 0% است یعنی باتری مورد نظر ما کاملاً خالی شده است. محاسبه این موضوع در باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً با استفاده از «متد اندازه‌گیری ولتاژ» و همچنین «متد شمارش کولن» انجام میگیرد، بطور مثال در روش تست ولتاژ، باتری‌ای که دارای 4.2 ولت است یعنی در وضعیت شارژ 100% قرار دارد. برای تخمین صحیح‌تر مقدار شارژ باقی مانده باتری معمولاً دو متد ذکر شده در بالا با یکدیگر ترکیب میشوند تا عدد دقیق‌تری بدست آید.
اگر بطور ساده بخواهیم SoC را شرح دهیم، میتوانیم بگوییم همان عددی که در گوشی شما به عنوان درصد باقی‌مانده باتری نمایش داده میشود SoC باتری گوشی شماست.

 

DoD: مخفف Depth of Discharge (عمق دِشارژ) بوده و روشی دیگر برای اندازه‌گیری انرژی یک باتری است. تفاوت آن با SoC در این است که با کاهش SoC، مقدار DoD افزایش میباشد. بطور مثال اگر SoC باتری 100% باشد، به این معناست که DoD آن برابر 0% است. اگر SoC یک باتری 25% باشد، پس DoD آن 75% است. پس SoC مشخص میکند چند درصد انرژی در باتری وجود دارد و DoD مشخص میکند چند درصد از انرژی یک باتری مصرف شده است (در واقع DoD برعکس SoC است).

از دیگر تفاوت‌های DoD با SoC در این است که واحد نمایش SoC درصد است، اما واحد نمایش DoD علاوه بر درصد، میتواند Ah (آمپر/ساعت) نیز باشد. یعنی اگر بگوییم DoD یک باتری برابر 0Ah است، یعنی باتری کاملاً شارژ است.

 

چگونه عمر باتری لیتیوم-یونی خود را افزایش دهیم؟

هر چه عمق دشارژ (DoD) در باتری‌ها بیشتر شود، باتری زودتر فرسوده میشود و هر چه این مقدار کمتر باشد، باتری عمر بیشتری خواهد داشت. همچنین بهتر است در صورت امکان، از شارژ کامل باتری‌های لیتیومی تا 100% پرهیز شود و بجای آن باتری را در فواصل کمتری شارژ کنیم. شارژها و دشارژهای جزیی در باتری لیتیوم-یونی مشکلی ایجاد نمیکند، چراکه برخلاف باتری‌های نیکل-کادمیومی با پدیده حافظه مواجه نیستیم. گرچه با انجام این عمل ممکن است نیاز داشته باشید در فواصل کوتاه‌تری باتری دستگاه خود را کالیبره کنیم.

در زیر به بررسی عوامل استرس‌زا بر باتری‌های لیتیوم-یونی که بر پایه کوبالت ساخته شده‌اند پرداخته‌ایم:

 

عمق دشارژ (DoD): در جدول زیر به بررسی عمق دشارژ و رابطه آن با فرسودگی باتری پرداخته‌ایم و هر سطر مشخص میکند در DoDهای مختلف، چند چرخه شارژ طول میکشد تا ظرفیت کلی باتری به 70% اندازه اولیه خود در اثر فرسودگی برسد. (30% فرسودگی)

 

 

نکته اینکه همانطور که گفته شد 100% DoD به معنی دشارژ کامل و 10% DoD به معنای دشارژ بسیار جزیی است. همانجور که در جدول مشخص است، هر چه باتری مقدار کمتری از انرژی خود را از دست داده بدهد و سپس اقدام به شارژ آن کنیم، طول عمر باتری بالاتر میرود. پس این استراتژی که اول بگذاریم باتری کاملاً خالی شود و سپس آن‌را مجدداً شارژ کنیم، قطعاً به سرعت عمر باتری شما را کاهش خواهد داد.

 

دما و ولتاژ: باتری‌های لیتیوم-یونی با گرما دچار خرابی میشوند و گرما یکی از عوامل مهم استرس‌زا در اینگونه باتری‌ها بشمار میرود، بطوری که دمای بیشتر از 30 درجه سانتیگراد را دمای بالایی برای این نوع باتری‌ها میدانیم.

در جدول زیر چند باتری با SoCهای 40% و 100% (شارژ کامل) را در محلی قرار داده‌ایم و پس از یکسال ظرفیت قابل استفاده آنها را اندازه‌گیری کرده‌ایم:

 

 

همانگونه که مشاهده میکنید با افزایش دما، افت ظرفیتی زیادتری را نسبت به دماهای کمتر از 30 درجه مشاهده میکنیم، به طوریکه در دمای 45 درجه بدون هیچگونه استفاده‌ای از باتری، 15% ظرفیت آنرا از دست داده‌ایم.

اما نکته دیگری که با آن برخورد میکنیم، نقش SoC در این جدول است و همانطور که مشاهده میکنیم، با قرار دادن باتری 100% شارژ شده در محیط 60 درجه، تنها بعد از گذشت 3 ماه 40% از ظرفیت باتری را از دست داده‌ و دچار فرسودگی شده‌ایم. بنابراین نتیجه میگیریم هر چقدر ولتاژ سلول‌های باتری ما بیشتر باشد (SoC ما بالاتر باشد) باتری بیشتر و سریعتر دچار فرسودگی میشود، حتی اگر از آن استفاده نکنیم و فقط آنرا انبار کنیم.

اجازه دهید این موضوع را دقیقتر بررسی کنیم. در جدول زیر تعدادی باتری را با ولتاژهای مشخص شده شارژ و دشارژ کرده ایم. در روبرو نیز مشخص کرده‌ایم این مقدار ولتاژ در شرایط آزمایشگاهی برابر چه SoCی است، یعنی با این ولتاژ چند بار باتری میتواند قبل از اینکه عمرش به پایان برسد شارژ و دشارژ شود. همچنین برای اطلاعات بیشتر چند باتری را Overcharge کرده‌ایم (شارژ با ولتاژی بالاتر از ولتاژ ایمن) تا نتیجه را ببنیم:

 

 

ولتاژ پیک اکثر باتری‎های لیتیومی را 4.2 ولت در نظر میگیرند (به این معنی نیست که نمیتونیم بیشتر از این شارژشون کنیم)، یعنی بطور استاندارد در این حالت گفته میشود یک باتری 100% شارژ شده است. همانطور که از جدول بالا مشخص است، هر 10 میلی ولت کاهش ولتاژ میتواند طول عمر باتری را دو برابر کند، بطور مثال با شارژ کردن باتری تا ولتاژ 4.2 ولت طول عمر باتری 300-500 چرخه است، در صورتی که اگر همان باتری را تا ولتاژ 4.1 ولت شارژ میکردیم طول عمر آن 600-1000 چرخه میشد. همچنین اگر حداکثر ولتاژ را 4.0 ولت در نظر میگرفتیم، طول عمر باتری به 1200-2000 چرخه میرسید.

اما در جنبه منفی ماجرا اگر به SoC جدول نگاه کنید، هر 70mV کاهش ولتاژ در باتری، به معنی این است که 10% از طرفیت باتری را شارژ نکرده‌ایم و از آن استفاده نمیکنیم. یعنی اگر ولتاژ پیک باتری خودمون رو 4.1 ولت در نظر بگیریم، مثل این میمونه باتری رو فقط 90% شارژ کردیم. البته این نکته قابله ذکره که به هیچ عنوان ظرفیت شارژ نشده از بین نرفته و هر زمان که بخواهیم میتوانیم با شارژ 100% باتری (ولتاژ پیک رو 4.2 در نظر بگیریم) از ظرفیت کامل باتری استفاده کنیم و از این بابت هیچ مشکلی نیست.

نکته دیگه‌ای که میتونیم از جدول بالا استباط کنیم اینه که اگر موضوع ما طول عمر بالای باتری باشد، بنظر میرسد با SoC حدود 60% به بهترین نتیجه میرسیم، بنابراین متخصصان عقیده دارند که ولتاژ 3.92 ولت ولتاژ مطلوبی بوده که تمامی عوامل استرس‌زا مرتبط با ولتاژ سلول‌ها را از بین میبرد.

اکثر شارژهای موبایل و تبلت از ولتاژ 4.2 ولت به عنوان ولتاژ پیک برای شارژ باتری‌ها استفاده میکنند، چراکه در این ولتاژ از حداکثر ظرفیت باتری استفاده کردیم (در واقع باتری 100% شارژ شده)، به این دلیل که استفاده کنندگان تنها به یک چیز اهمیت میدهند و آنهم حداکثر زمان کارکرد وسیله با یکبار شارژ کردن است.

در مورد SoCهای بالاتر از 100% و در واقع باتری‌های Overcharge شده در جدول هم این نکته رو بگم که ولتاژ بالاتر از 4.2 گرچه میتونه برامون ظرفیت بالاتری رو فراهم کنه (بطور مثال با ولتاژ 4.25 ولت انگار باتریمون 110% شارژ شده!) اما به دلایل ایمنی اینکار انجام نمیشه و در این حالت میگوییم باتری Overcharge شده است که میتواند باعث آتش‌سوزی و یا انفجار باتری شود، پس به همین دلیل این هست که باتری‌های لیتیوم-یونی رو نباید بیشتر از 4.2ولت شارژ کرد و چرا وقتی باتری در این ولتاژ قرار داره میگیم باتری 100 % شارژ شده.

 

محدوده شارژ و دشارژ: حال که طول عمر باتری و فرسودگی آن‌را در SoCها و DoDهای مختلف بررسی کردیم، در این آزمایش میخواهیم مشخص کنیم در کدام حالت شارژ و دشارژ، باتری بیشترین طول عمر را خواهد داشت. یعنی باتری را تا چند درصد شارژ کنیم و وقتی به چند درصد رسید آنرا مجدداً به شارژ بزنیم:

 

 

همانطور که در نمودار بالا مشخص است، اگر باتری را تا 100% شارژ کنیم، از آن استفاده کنیم و سپس زمانی که شارژ آن به 25% میرسد مجدداً آنرا به شارژ بزنیم (نمودار مشکی رنگ)، بسیار زودتر از زمانی که باتری را در بازه 75% تا 45% شارژ و دشارژ کنیم (نمودار بنفش رنگ) فرسوده میشود. اما باید به این نکته توجه داشته باشیم که در بازه 75% تا 45% از تمام ظرفیت باتری استفاده نکرده‌ایم (فقط 30% از ظرفیت کل باتری را مصرف کرده‌ایم). بطور کلی میتوانیم از نمودار بالا اینگونه برداشت کنیم که:

  • بازه SoC 75%-65% بیشترین طول عمر باتری را برای ما فراهم می‌آورد، گرچه مجبوریم هر 10% باتری را مجدداً شارژ کنیم.
  • بازه SoC 85% - 25% حد متعادل است، در این حالت فرسودگی باتری به کمتر از نصف میرسد، اما تنها از 50% ظرفیت کل باتری استفاده کرده‌ایم.
  • SoC 100% - 25% بیشترین کارایی را به ما میدهد، یعنی وسیله ما مدت زمان بیشتری کار خواهد کرد، اما بسرعت باتری فرسوده میشود و عمر آن پایان میپذیرد.

 

نتیجه‌گیری:

همانطور که نمودارهای بالا مشاهده کردیم، هر چه DoD ما بیشتر شود (یعنی باتری بیشتر خالی شود) با شارژ مجدد آن باتری سریعتر فرسوده میشود. هر چه دمای باتری بالاتر رود، باتری زودتر فرسوده میشود. هر چه انرژی ذخیره شده در باتری بیشتر باشد، باتری زودتر فرسوده میشود. بنابراین بطور کلی میتوانیم موارد زیر را نتیجه‌گیری کنیم:

  1. اگر قصد دارید باتری خود را مدتی استفاده نکنید، به هیچ عنوان آنرا تا 100% SoC شارژ نکنید. بهترین کار این است که باتری را 30% شارژ کنید و در محیطی خنک قرار دهید. با کمتر کردن انرژی داخل باتری، گرما تاثیر کمتری بر روی باتری خواهد گذاشت و به همین دلیل است که وقتی باتری جدیدی میخرید، مقدار شارژ کارخانه‌ای آن کم است.
  2. از شارژ باتری خود تا SoC 100% بپرهیزید. همانطور که گفته شد با افزایش انرژی در باتری، آهنگ فرسودگی آن بیشتر خواهد شد. طبق جداول قرار داده شده در بالا، اگر باتری خود را تا SoC 80% شارژ کنید، طول عمر باتری شما به راحتی 2 برابر خواهد شد و شما تنها 20% از ظرفیت باتری را استفاده نکرده‌اید. ضمن اینکه باتری‌های لیتیومی تمایل دارند در حد وسط ولتاژ خود باقی بمانند (یعنی رسیدن از 100% به 80% سریعتر از رسیدن 70% به 50% است).
  3. با افزایش DoD باتری طول عمر باتری شما نیز کاهش میابد، یعنی اگر شارژ باتری در حالتی که SoC 25% است انجام گیرد، فرسودگی بیشتری را نسبت به زمانی که SoC 35% است به همراه خواهد داشت، پس برای افزایش طول عمر باتری خود اجازه ندهید DoD باتری شما مقدار بسیار زیادی افزایش یابد.

 

گرچه موارد ذکر شده در بالا همیشه امکان پذیر نیست و همه ما میخواهیم تا بیشترین استفاده را از انرژی داخل باتری خود ببریم، اما حداقل سعی کنید تا یکی از موارد ذکر شده در بالا را رعایت، بطور مثال همیشه باتری گوشی خود را تا 80% شارژ کنید و اجازه ندهید باتری شما به 0% درصد برسد. تنها با رعایت همین مورد، طول عمر باتری شما بیش از دو برابر خواهد شد.

برخی شرکت‌های سازنده موبایل مانند سونی، در برخی محصولات خود گزینه‌ای تحت عنوان «Charging Optimization» قرار داده‌اند که از همین تکنیک‌ها برای افزایش طول عمر باتری استفاده میکند (بطور پیش‌فرض فعال نیست)، یعنی بطور مثال ولتاژ پیک باتری را در حدی کمتر از 4.2 ولت قرار میدهند و بجای اینکه باتری از 100% ظرفیت خود استفاده کنید، تنها از 80% درصد آن استفاده میکند (در راهنمای این گزینه هم ذکر شده است که شارژدهی باتری اندکی کمتر میشود، اما در عوض طول عمر باتری بالا میرود). بنابراین اگر گوشی هوشمند شما از این امکان پشتیبانی میکند، آن‌را فعال کنید تا بدون دردسر طول عمر باتری شما افزایش یابد، چراکه با توجه به بازار فعلی قطعات، شما احتمالاً نخواهید توانست باتری اورجینال گوشی خود را پیدا کنید، ضمن اینکه قیمت باتری‌هایی که مثلاً اورجینال هستند (اما نیستند) هم بسیار بالا رفته است. من خودم برای گوشی خودم از یکی از معتبرترین فروشگاه‌های لوازم الکتریکی یک باتری با گارانتی بسیار معتبری به شرط اورجینال بودن خریدم (با قیمتی بالا)، اما پس از نصب باتری متوجه شدم که اولاً اندازه باتری یک میلیمتر از باتری اصلی برزگتر است و دوماً بجای سنسور (مقاومت) NTC بر روی باتری، از یک مقاومت معمولی 10 کیلواهمی استفاده شده است که این امر باعث میشود گوشی من هرگز از دمای باتری اطلاعی نداشته باشد (موضوعی که کاربران عادی به هیچ عنوان از آن خبر ندارند و خبر دار هم نخواهند شد).

اگر گوشی شما بطور داخلی همچنین گزینه‌ای برای افزایش طول عمر باتری ندارد اما روت شده است، میتوانید از برنامه‌های بسیاری که برای این منظور ساخته شده‌اند و شارژ باتری را در درصد خاصی بطور اتوماتیک قطع میکنند استفاده کنید. لازم به ذکر است همانطوری که گفتم برای استفاده از این برنامه‌ها نیازمند دسترسی Root بر روی گوشی خود هستید.

در آخر این نکته را نیز اضافه کنم که مکانیزم‌های امینیتی دیگری در گوشی‌های هوشمند قرار داده شده که تا حدودی میتواند فرسودگی باتری گوشی شما را به تاخیر بیاندازد، گرچه شما از این مکانیزم‌ها با خبر نیستید. بطور مثال اگر دقت کرده باشید باتری گوشی شما وقتی SoC 100% است به سرعت به SoC 90% (مثلا طی ده دقیقه استفاده از گوشی) میرسد، علت این امر را در پستی جداگانه بررسی خواهیم کرد و به تحلیل آن بر اساس آمارها و نمودارها خواهیم پرداخت (این مکانیزم به موضوعی که پیشتر در مورد آن صحبت کردیم و گفتیم باتری لیتیوم-یونی تمایل به ماندن در ولتاژ نومینال دارد ارتباطی ندارد).