איך לטעון סוללת ליתיום כדי להאריך את חייה?

שלום חברים,
רבים מכם שואלים אותנו לגבי הדרך הנכונה לטעון את סוללות הליתיום, ומכיוון שקשה למצוא על כך מידע מהימן ברשת (במיוחד לא בעברית), החלטנו לפרסם כאן פוסט עם כמה כללים בסיסיים לגבי טעינת סוללת ליתיום, וכמו כן גם מידע טכני מורכב יותר, שמתאים בעיקר למי שמבינים בתחום הסוללות ורוצים להתעמק במידע.

מידע לגבי תאי ליתיום
תא סוללה ליתיום הינו תא אלקטרו כימי. זה אומר שבתוך תא הסוללה נמצאת תרכובת כימית שמגיבה למתכת ויוצרת זרם חשמלי. במהלך פריקת הסוללה משתנה ההרכב הכימי עד למצב בו היא כבר לא תייצר יותר זרם חשמלי. למצב זה אנחנו קוראים סוללה ריקה. במקרה של סוללות ניקל קדמיום/ניקל מטל ועוד, יהיה ניתן לטעון את הסוללה גם אם התרוקנה עד תום, מה שלא יתאפשר בסוללות ליתיום, מכיוון שברגע שהמתח ירד מתחת לתחום התחתון של הסוללה, אפשר לבדוק אם יש מקום בפח המחזור, וכבר להכין כסף לקנות אחת חדשה. בכל סוללה קיים בקר סוללה שאחראי על כך שהיא לא תרד מתחת לתחום התחתון שלה, וגם שלא תעלה מעל התחום העליון.  בקר זה נקרא BMS וכל עוד הוא איכותי ומתאים לנתוני הסוללה, הוא אמור לעשות את העבודה ולשמור על תאי הסוללה.

לכל תא ליתיום יש טווח מתחים בהם הוא יכול לפעול, אם ניקח למשל את תא הליתיום של סמסונג ICR18650-26F שהוא תא בטכנולוגיית li-ion, אז טווח המתחים שלו הוא בין 2.75V עד ל 4.25V, שזהו טווח מתחים גדול ביותר בהשוואה לשאר חבריו הליתיומים האחרים, שבדרך כלל יעבדו בטווח מתחים של 2.8V – 4.2V. כפי שתראו בהמשך, אל לנו להתקרב ל"קצוות" המתחים של התא, מכיוון שאם נעבור את המתח כלפי כל אחד מהקצוות, קרוב לוודאי שתא הליתיום ייהרס, והוא לא יהיה בר תיקון. מכיוון שתאי ליתיום הינם בעלי רגישות גבוהה לחריגה מטווח המתחים שלהם, הכרח להתקין להן בקר טעינה BMS, שאחראי על ניתוק הטעינה במתח גבוהה, הגבלת זרם הפריקה, ועל ניתוק הפריקה קרוב למתח הנמוך של התא.

נתייחס לשלושה מצבי מתח של התא:
1. מתח תחתון – מתח מינימלי מותר (ירידה ממתח זה תהרוס את תא הסוללה)
2. מתח נומינלי – מצב אמצע (כך התאים מגיעים מהמפעל)
3. מתח עליון – מקסימלי (עליה מעל מתח זה תהרוס את תא הסוללה)

המתח הנומינלי הוא מצב סטטי נתון בו יש הכי פחות "מתח" בתוך הסוללה, זאת הנקודה ה"אמצעית" בה הכימיה של תא הסוללה נמצאת במצב הכי "מאוזן". תאי הליתיום מגיעים מהמפעל כשהם טעונים במתח הנומינלי שלהם, כדי לשמור על חיי המדף שלהם לפני שהם נכנסים לעבודה. בנקודה האמצעית הזאת, הסוללה תחזיק מעמד הכי הרבה זמן (מן הסתם יכול להתקיים רק בחוסר שימוש), ויש למצב אמצעי זה 2 כיוונים אפשריים:

מתח עליון – הכיוון האחד של המתח הוא כלפי מעלה, מצב של תא ליתיום טעון מלא (בסמסונג 4.35V) והשני פרוק מלא (בסמסונג 2.75V). אורך החיים של התא יהיה קצר יותר אם הוא יוחזק לאורך זמן במצב של טעון מלא, מכיוון שבמצב זה מתקיימת פריקה עצמית של התא, ואז המתח הפנימי יפעיל את הכימיה, ובמצב זה המבודדים יעמדו בעומס גדול יחסית.

מתח תחתון – מצד שני, במתח הנמוך המותר של התא יהיה הכי פחות "מתח" בתוכו, אך אז יש סכנה שהפריקה העצמית תוריד אותו למתחת למתח המותר, ואז התא יהרס. זאת הסיבה שבקרי BMS טובים מנתקים את הפריקה ב 2.9V, כדי להימנע ממצב שהסוללה תישאר ריקה ותמשיך לפרוק את עצמה אל מתחת למתח המותר. (לכל תא סוללה בעולם יש פריקה עצמית, סוג של "דליפה").

מחזורי הטעינה המדוברים duty life cycle של סוללות ליתיום, מתייחסים להתעייפות החומר של המבודדים שבתוך תא הליתיום, תוך כדי התפרקות חומרי התא אל תוך תמיסת הליתיום, עד שבשלב מסוים התמיסה מאבדת מהריכוז שלה ומפסיקה להיות יעילה. במצב זה יש להחליף את התא. אפשר להגיד שהמבודדים של תא הליתיום מתמוססים עם הזמן והופכים להיות חלק מהתמיסה, וחלקי המתכת המוליכים מאבדים מהמוליכות שלהם בגלל קורוזיה בלתי נמנעת הנובעת מהראקציה הכימית שבתא.

חום ובלאי – את התהליך הזה מאיץ ביותר החום (הבלתי נמנע) שנוצר בתהליך הטעינה והפריקה. לתאי ליתיום מותר להגיע ל 60 מעלות מקסימום, וזה כמובן לא מומלץ שיקרה לאורך זמן, לכן על הסוללה להיות במקום מוצל, והפריקה צריכה להיות מבוקרת (שבמהלכה מתפתח רוב החום בסוללת הליתיום) גם מכיוון שבפריקה אגרסיבית חוזרים אל הסוללה 'פיקים' peak של מתח (BACK EMF) שמגיעים מסלילי המנוע, שיוצרים פריצות מתח קטנות בתוך קטבי התא הפנימיים, שבמשך הזמן יוצרים חורים מיקרוסקופיים במבודדים של התאים (בדרך כלל הקוטב החיובי של סוללת הליתיום + יספוג אותם וייהרס ראשון), ובמשך הזמן החורים האלה מתרחבים עד ליצירת קצר פנימי בתוך התא, או חוסר יעילות גדול מדי.

איך לטעון סוללת ליתיום – לגבי חישובי טעינות מלאות אל מול טעינות קצרות, החישוב נמצא בערך כך: טעינות קצרות יהיו פחות יעילות מטעינות מלאות, והן יקצרו את אורך חיי הסוללה ב 10-20% אל מול טעינות מלאות. למשל, אם נותנים פעמיים חצי טעינה אל מול טעינה אחת מלאה, בעיניי הסוללה זה יהיה שווה ל 110-120% של טעינה מלאה.

יותר לעומק – וגם כאן יש נתון מורכב מזה, והוא הטווח הראלי בו טוענים את הטעינות הקצרות, האם טוענים את הסוללה מהנומינלי כלפי מעלה, או מהמתח הנמוך שלה עד לנומינלי. בהקשר זה אומר, שאם טוענים רק את החלק האמצעי שלה, נגיד את ה 30-80%, אז היא תחזיק מעמד הכי הרבה זמן). יש לדייק נקודה זו באמירה, שה 100% של טווח המתחים הוא בין המינימלי למקסימלי, בד"כ 2.8V – 4.2V.

– השאלה שאולי עולה לנו, מי הולך להתעסק בזה באמת, ומי מסוגל למדוד את הדברים האלה ?! –

אני מסכים שאין להתעסק עם הנתונים האלה בזמן אמת, גם מכיוון שזה דורש השקעת זמן לא קטנה, מכשירי מדידה ולמידה מעמיקה על תאי ליתיום, מה שיגמור לנו את זמן הנסיעה לעבודה או את הטיול בפארק..

מסקנה מתבקשת – מה שכן, זה מוביל אותנו למסקנה שבמקום להתעסק עם מהלכי הטעינה של סוללת הליתיום, אז יש להתייחס אליה בצורה הגיונית ושפויה, וחשוב ביותר להתאים לסוללה מטען איטי ככל האפשר כדי להימנע מחום, ושיפסיק לתת טעינה בוודאות כשהטעינה מסתיימת. Charging Cut Off. זה יהיה הדבר החכם ביותר לעשות כדי לשמור על חייה בשלב ראשון, מכיוון שרוב הסוללות נהרסות כתוצאה ממטענים זולים שמכניסים להן טעינת יתר, או שגרף הטעינה שלהם לא מתאים לליתיום.

טיפ חשוב ביותר – אם מישהו מהקוראים רוצה באמת לשמור על חיי סוללת הליתיום שלו (אם זאת סוללה של אופניים חשמליים או אם כל סוללת ליתיום אחרת), אז שיפרוק אותה באופן מתון, מה שאומר, ללחוץ פחות חזק על ידית התאוצה, להתנהג עם הסוללה בצורה עדינה ומתונה.

לטעון כשהסוללה בחצי או לחכות שתתרוקן?
זאת אחת השאלות הנפוצות שאנשים שואלים אותנו. השאלה מגיעה מכך שלמדנו שבסוללות ניקל קדמיום יש את "אפקט הזיכרון", אך בסוללות ליתיום אפקט הזיכרון לא קיים ולכן השיקולים שונים מיתר הטכנולוגיות המיושנות יותר של סוללות.
ההמלצה הכללית בטעינת סוללות ליתיום היא, לא להתקרב למתח התחתון של הסוללה. במילים פשוטות – לטעון את הסוללה לפני שהיא מתרוקנת ומגיעה למצב ניתוק (במידה והבי אם אס תקין ויעשה את העבודה – אחרת הסוללה הולכת לפח).
ומצב שני, לא מומלץ להחזיק את הסוללה טעונה באופן מלא למשך יותר מכמה ימים, ובטח לא לאחסן את הסוללה למשך חודשים כשהיא טעונה מלא. זה יקצר לה את החיים משמעותית.
בשימוש יומיומי או של מספר פעמים בשבוע, כמובן לטעון את הסוללה עד למצב מלא ולפרוק אותה לפי הצורך. יש להבין שסוללה שעובדת או סוללה עומדת, אלה 2 דברים שונים.
כמו שרכב שעומד יתבלה מהר, כך זה עובד גם עם סוללות.

אחסון הסוללה
אם קרה שאתם רוצים לאחסן את הסוללה (נסיעה לחו"ל, הילד גדל, או מכל סיבה אחרת), אז יש לפרוק אותה עד למתח הנומינאלי שלה (3.7V כפול מספר התאים. למשל, המתח הנומינלי של סוללה בעלת 10 תאים טוריים תיטען ב 37V לצורך אחסון).
הדרך הנכונה להגיע למתח הזה הוא באמצעות שימוש בסוללה עד שיורדת למתח הנומינלי, המתנה של שעה כדי שהמתח יתייצב, ואז אחסון במקום יבש, קריר וחשוך.
חשוב לא לאחסן את הסוללה במקום חם/לח, וגם דאגו שיהיה אוורור מסוים במקום האחסון, מכיוון שכל סוללה פולטת בצורה איטית את החומרים בתוכה. גם אם זה לגמרי לא מורגש במצב שימוש רגיל, זה יכול להיות מורגש אם למשך שמתם את הסוללה בתוך ארון הבגדים למשך חודש או יותר.

וטיפ נוסף – אם יש לכם סוללה גדולה בקיבולת של למעלה מ 25Ah (בד"כ למערכות גדולות של אופניים חשמליים, או קלנועיות עם טווח נסיעה גדול), ואתם טוענים אותה במטען מהיר, אז מומלץ לטעון אותה למשך 5 שעות ואז לתת לה לנוח למשך שעה, לפני שממשיכים לטעון אותה. הפסקת טעינה זו תוריד משמעותית את החום המצטבר בתוך הסוללה במהלך הטעינה, ותאריך את חייה. (אפשר לעשות את זה עם שעון שבת פשוט).

תמיד – כמובן, לשמור את סוללת הליתיום קרירה ככל האפשר, במקום מוצל כשחונים, ומאווררת כהלכה במהלך הנסיעה.

ימים טובים
הצוות המקצועי של עולם חדש