عمر الخلية مع التقدم في العمر هو مؤشر تقني شامل يحدد الوقت أو عدد الدورات التي يمكن أن تخضع لها الخلية لتتدهور إلى عتبة محددة في ظل ظروف معينة.
ينقسم تقادم خلايا البطارية بشكل أساسي إلى نوعين رئيسيين: تقادم الدورة وتقادم التقويم.
الشيخوخة الدورية: يشير هذا إلى عدد دورات الشحن والتفريغ الكاملة التي تخضع لها البطارية أثناء الاستخدام المتكرر، مما يقلل سعتها تدريجيًا إلى حوالي 80% من سعتها الأولية. تختلف أنواع بطاريات الليثيوم في عمرها الافتراضي. تشمل آلياتها الأساسية فقدان الليثيوم النشط والمواد الفعالة. ينجم فقدان الليثيوم النشط بشكل أساسي عن النمو المستمر وإصلاح طبقة SEI على سطح القطب السالب، وهي عملية تستهلك أيونات الليثيوم في الإلكتروليت بشكل لا رجعة فيه. علاوة على ذلك، في ظل ظروف غير مواتية مثل درجات الحرارة المنخفضة والشحن السريع، قد تترسب أيونات الليثيوم على سطح القطب السالب، مكونةً "ليثيومًا ميتًا" لا رجعة فيه. يشير فقدان المواد الفعالة إلى تلف المواد الفعالة في الأقطاب الموجبة والسالبة نتيجةً لتلف هيكلي أو فقدان الاتصال الكهربائي.
تقادم التقويم: يشير هذا إلى الوقت اللازم لوصول البطارية إلى نهاية عمرها الافتراضي، حتى عند تركها دون استخدام (دائرة مفتوحة). وهي عملية تدهور بطيئة تعتمد على الزمن وتتأثر بالظروف البيئية (وخاصة درجة الحرارة). وتتضمن هذه العملية تفاعلات جانبية ضعيفة ومستمرة داخل البطارية، مثل التكاثف البطيء للغاية لطبقة SEI، مما يستهلك كمية صغيرة من الليثيوم النشط؛ والتحلل الطفيف للإلكتروليت؛ والتفاعلات البطيئة عند السطح الفاصل بين مادة القطب الموجب والإلكتروليت. ويمكن لدرجات الحرارة المرتفعة أن تسرّع هذه التفاعلات الجانبية بشكل ملحوظ.
معدل شيخوخة خلايا البطارية ليس ثابتًا؛ بل يتأثر بشكل كبير بالضغوط الخارجية المختلفة.
درجة حرارة: يُعدّ هذا العامل البيئي الأهم. فارتفاع درجات الحرارة يُسرّع بشكلٍ كبير نمو طبقة SEI، وتحلل الإلكتروليت، وجميع التفاعلات الجانبية الأخرى، مما يُقصّر عمر البطارية. في المقابل، تُزيد درجات الحرارة المنخفضة (خاصةً أثناء الشحن) من خطر ترسب الليثيوم، مما يُسبب أيضًا تدهورًا لا رجعة فيه في سعة البطارية.
معدل الشحن/التفريغ: يُسبب تيار الشحن/التفريغ الزائد إجهادات متعددة. أثناء الشحن، قد يتسبب التيار العالي في ترسب أيونات الليثيوم قبل أن تتمكن من الاندماج في طبقة الجرافيت؛ وأثناء التفريغ، قد يؤثر التيار العالي على بنية مادة القطب الكهربائي، وقد يُلحق الضرر بغشاء SEI، مما يُسرّع من إصلاحه واستهلاك الليثيوم.
وزارة الدفاع ونطاق الإجهاد: تؤدي دورات الشحن والتفريغ العميق المتكررة (مثل التناوب بين 0% و100% من حالة الشحن) إلى تدهور البطارية بشكل أسرع من دورات الشحن والتفريغ السطحي (مثل التناوب بين 40% و80%). كما أن إبقاء البطارية مشحونة بالكامل أو ذات جهد عالٍ لفترات طويلة يُسرّع من تآكل المواد وتحلل الإلكتروليت.
تؤدي الاختلافات الميكانيكية بين بطاريات NMC/NCA وبطاريات LFP بشكل مباشر إلى اختلافات في أدائها الفعلي:
اختلافات دورة الحياة: تتميز بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بعمر دورة أطول (أكثر من 2000 دورة) بفضل مواد الكاثود المتينة والمستقرة، مما يجعلها أكثر ملاءمةً للاستخدامات التي تتطلب دورات شحن وتفريغ متكررة واستخدامًا طويل الأمد. أما بطاريات NMC/NCA، فلها عمر دورة أقصر نسبيًا (حوالي 500-1500 دورة)، ولكن كثافة طاقتها أعلى.
اختلافات الأداء المرتبطة بالتقدم في السن: غالباً ما يتجلى تقادم بطاريات NMC/NCA بانخفاض ملحوظ في السعة وزيادة في المقاومة الداخلية، وذلك لأن تدمير بنية المهبط يقلل من عدد أيونات الليثيوم ويزيد من مقاومة هجرتها. أما بطاريات LFP، فيظهر تقادمها في البداية بانخفاض بطيء في السعة نظراً لبنية المهبط المستقرة؛ لاحقاً، قد تصبح الزيادة في المقاومة الداخلية كبيرة، ويعود ذلك أساساً إلى زيادة سمك طبقة SEI على المصعد.
اختلافات استراتيجية الاستخدام: بالنسبة لبطاريات NMC/NCA: تجنب تخزينها مشحونة بالكامل، خاصةً في درجات الحرارة المحيطة المرتفعة. للاستخدام اليومي، يُنصح بضبط حد الشحن بين 80% و90% لتقليل الضغط على مادة الكاثود. بالنسبة لبطاريات LFP: على الرغم من أنها أقل حساسية نسبيًا للشحن الكامل، إلا أنه ينبغي تجنب تخزينها لفترات طويلة وهي مشحونة بالكامل، خاصةً في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.
