تمديد عمر البطارية بواسطة الشحن النبضي

لماذا يهم هذا السائقين يومياً

الشحن السريع لسيارة كهربائية مريح، لكنه يحمل تكلفة خفية: قد تتآكل البطارية بسرعة أكبر، مما يجعل السيارات أكثر تكلفة وأقل استدامة. تستكشف هذه الدراسة فكرة تبدو بسيطة—شحن البطاريات بنبضات تشغيل-إيقاف سريعة بدلاً من تيار مستمر—للنظر فيما إذا كان ذلك يمكن أن يحافظ على سرعات الشحن العالية مع بطء شيخوخة البطارية. تشير النتائج إلى أن الشحن النبضي قد يساعد بطاريات المركبات الكهربائية على العمل لفترة أطول بكثير دون تغييرات كبيرة في الأجهزة الحالية.

شحن ألطف دون إبطاء رحلتك

تفقد بطاريات أيون الليثيوم، العمود الفقري للسيارات الكهربائية الحديثة، سعتها تدريجياً في كل مرة تُشحَن وتُفرغ. عادةً ما تختبر المختبرات الخلايا بتيار ثابت، لكن السيارات الحقيقية تواجه متطلبات طاقة متغيرة باستمرار. سعى الباحثون لسد هذه الفجوة من خلال مقارنة منهجية بين الشحن بالتيار المستمر القياسي ومجموعة من أنماط الشحن النبضي. في جميع الحالات، حافظوا على متوسط القدرة الشحمية نفسه، لذا فإن أي اختلاف في الشيخوخة سينتج عن طريقة توصيل التيار، وليس من كمية الطاقة المدخلة.

كيفية إجراء تجارب النبضات

اختبر الفريق خلايا أيون ليثيوم تجارية مُحسّنة للطاقة في مجموعتين رئيسيتين. في إحدى المجموعات، شُحِنت البطاريات وتُفرغت بنبضات مربعة التشكيل تتبدل بين صفر وتيار أعلى عند ترددات بين 10 و1000 ميلي هرتز (أي أن كل دورة تشغيل-إيقاف كاملة استغرقت من ثوانٍ إلى دقائق). في المجموعة الأخرى، استخدموا تيارات متوسطة أعلى ذات صلة بالشحن السريع، وغيّروا كل من تكرار النبض وحصة الوقت التي يكون فيها التيار "قيد التشغيل" (دورة العمل). خدمت اختبارات التيار المستمر عند نفس متوسط القدرة كمرجع. على مدى مئات الدورات، أوقف الباحثون تجارب الشيخوخة بانتظام لقياس السعة والمقاومة الداخلية وبصمات دقيقة لكيفية تغير كل قطب داخل الخلية.

ما كشفت عنه البطاريات مع مرور الوقت

كانت النتائج لافتة. تحت الشحن بالتيار المستمر، تراجعت السعة بسرعة، حيث احتفظت الخلايا بحوالي 70% فقط من سعتها الأولية بعد 400 دورة في بعض الحالات. عندما شُحنت نفس الخلايا باستخدام أنماط نبضية مختارة جيداً، انخفض فقدان السعة تقريباً إلى النصف. عند ترددات النبضات أعلى من نحو 100 ميلي هرتز، احتفظت العديد من البطاريات بنسبة قريبة من 90–97% من سعتها بعد 400 دورة. كانت توقيتات النبضات الدقيقة أقل أهمية من مدة تشغيل التيار خلال كل دورة: أدت دورات العمل الأقل، حيث حصلت البطارية على فترات راحة قصيرة متكررة، إلى شيخوخة أبطأ بشكل ملحوظ مقارنةً بدورات العمل الأعلى، حتى عندما كانت الطاقة المتوسطة متطابقة.

نظرة داخلية على التآكل الخفي للبطارية

لفهم سبب فائدة النبضات، استخدم الباحثون عدة "أدوات استماع" كهركيميائية تفسر التغيرات الطفيفة في الجهد والمقاومة أثناء دورات البطارية. أشارت هذه التحليلات إلى القطب السالب—الجانب القائم على الجرافيت الذي يمتص الليثيوم أثناء الشحن—بأنه بؤرة المشكلة الرئيسية. تحت التيار المستمر أو النبضات ذات التردد المنخفض جداً، تكاثرت البصمات المرتبطة بأفلام السطح وتراكم معدن الليثيوم بشكل أقوى. تؤدي هذه التغيرات إلى زيادة المقاومة وحبس الليثيوم النشط بشكل دائم، وكلاهما يقلل من السعة القابلة للاستخدام في الخلية. في المقابل، أظهر الشحن النبضي عالي التردد زيادات أصغر بكثير في مقاومة السطح وفصلاً أقل في سلوك القطبين، مما يتوافق مع ضرر أخف وتقليل ترسيب الليثيوم.

آثارها على مستقبل المركبات الكهربائية

من منظور السائق، الجزء الواعد في هذا العمل هو أن المكاسب لا تعتمد على مواد غريبة أو شواحن مستقبلية. ترددات النبض المفيدة منخفضة بما يكفي ليُعاد برمجة إلكترونيات القدرة الموجودة في المركبات ومحطات الشحن، من حيث المبدأ، لتوليدها. من خلال إعادة تشكيل التيار إلى دفعات سريعة مع فترات توقف قصيرة—لا سيما بدورات عمل متواضعة—يمكن للمصنّعين الحفاظ على أوقات الشحن المماثلة مع إطالة عمر البطارية بشكل ملحوظ. بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن الطريقة التي نعطي بها الطاقة للبطارية قد تكون مهمة مثل مقدار الطاقة، وأن إيقاعًا متقطعًا للشحن قد يساعد بطاريات السيارات الكهربائية على البقاء بصحة أفضل لفترة أطول.

الاستشهاد: Frenander, K., Jutsell Nilsson, D. & Thiringer, T. Extending battery lifetime by pulsed charging. npj Clean Energy 2, 4 (2026). https://doi.org/10.1038/s44406-025-00013-5

الكلمات المفتاحية: بطاريات أيون الليثيوم, الشحن النبضي, المركبات الكهربائية, تدهور البطارية, الشحن السريع