مشكلة الانخفاض في سعة البطارية مع الوقت في أجهزة الأيفون

مقدمة

تُعَدُّ بطاريات الليثيوم-أيون القلب النابض لأي هاتف ذكي معاصر، وتأتي أجهزة iPhone في الصدارة من حيث تكامل العتاد والبرمجيات لإدارة هذا القلب بفعالية. رغم ذلك، تبقى مشكلة فقدان السعة الاسمية بمرور الوقت ظاهرة حتمية يواجهها جميع المستخدمين. يتناول هذا المقال—بمنهج علمي موسَّع—المرتكزات الكيميائية والفيزيائية لتدهور البطارية، بنيتها الإلكترونية داخل الآيفون، التقدم الخوارزمي في أنظمة إدارة الطاقة، ثم يُختتم بتوصيات عملية مبنية على أحدث الأبحاث لتأخير الشيخوخة الكهرو-كيميائية قدر الإمكان.

1. البنية الكيميائية لخلية الليثيوم-أيون

1-1 طبقة SEI وبدايات التحلل

تتكوّن كل خلية من مصعد جرافيتي، مهبط كوبالت/نيكل/منغنيز، وإلكتروليت عضوي. مع أول شحنة تتشكل طبقة التبادل الصلب SEI التي تحمي الإلكتروليت، لكنها تنمو مع كل دورة فتستهلك أيونات ليثيوم فعّالة، ما يقلل السعة القابلة للاستخدام ببطء.

1-2 تفاعلات الليثيوم الميّت

عند تيارات الشحن العالية أو درجات الحرارة المنخفضة، يترسّب الليثيوم على المصعد بشكل معدني، مُنشئاً «ليثيوم ميّت» غير قابل لإعادة الشحن، وهو أحد أهم أسباب الفقد غير القابل للاسترداد للسعة الكلية.

2. تعريف السعة الاسمية مقابل الفعلية

• السعة الاسمية: القيمة المُقاسة في ظروف مخبرية (عادة عند 25 °C وبتيار 0.2 C).
• السعة الفعلية: الطاقة القابلة للاستخراج في سيناريوهات الاستخدام الواقعي، تختلف بتغيّر درجة الحرارة، معدل التفريغ، وعمر الخلية.
  منظومة iOS تعرض «Maximum Capacity» كنسبة مئوية بين السعة الفعلية الحالية والسعة الاسمية ساعة مغادرة المصنع.

3. العوامل البيئية المؤثرة

* النسب تقديرية استنادًا إلى دراسات IEEE 2023-2024.

4. عدّاد الدورات (Cycle Count) ونقطة 80 %

تعتمد آبل معيار «دورة واحدة» كشحن تجميعي يساوي 100 % من السعة، وليس عدد مرّات التوصيل بالشاحن. البطارية مُصمَّمة للاحتفاظ بـ 80 % من سعتها بعد 500 دورة في الأجهزة الحديثة (أو 1000 لبعض الإصدارات Pro Max). عند هبوط السعة أسفل هذا الحد، يبدأ iOS في تمكين خوارزمية «إدارة الأداء» لتجنّب الإطفاء المفاجئ (قضية Batterygate 2017).

5. هندسة إدارة الطاقة في الآيفون

5-1 الشريحة PMIC

تشرف Integrated Power Management IC على توزيع الجهد، مراقبة الحرارة، وتفعيل MOSFET للشحن.

5-2 مستشعرات حرارية متعددة النقاط

تتوزع تحت اللوحة الرئيسة وعلى الخلية نفسها، وترسل قراءات فورية إلى Secure Enclave لضبط تيار الشحن.

5-3 خوارزمية Optimized Battery Charging

تتعلم أنماط الاستخدام اليومية عبر التعلم الآلي وتحافظ على 80 % حتى قبل الانفصال عن مصدر الطاقة مباشرة، ما يقلل زمن البقاء عند الفولتية القصوى.

5-4 Clean Energy Charging (iOS 16.1)

يجدول الشحن الكامل في أوقات الطاقات المتجددة الأعلى ضمن شبكة المستخدم (حاليًا محدود ببعض الدول).

6. الشحن السلكي مقابل اللاسلكي

• USB-PD 20 W: تيار أعلى → ارتفاع حراري مؤقت. توصي آبل بحفظ الجهاز في بيئة جيدة التهوية.
• MagSafe 15 W: الخسائر الحرارية أعلى بسبب التباطؤ (Eddy Current Loss). لكن نظام iOS يخفض طاقة التكوين بمجرد تجاوز mAh مُحدد.
• Qi 5-7.5 W: أقل حرارة لكنه أطول زمن تلامس، ما يطيل فترة الجهد المرتفع.

7. أثر تحديثات iOS والأحمال الخلفية

بعد كل إصدار كبير، قد يستغرق Spotlight وإعادة فهرسة الصور أيامًا لاستكمال العمليات، ما يرفع دورات التفريغ ويظهر للمستخدم على أنه «استنزاف مبهم». ينصح بانتظار يومين قبل تقييم تأثير البطارية بعد التحديث.

8. ممارسات موصى بها لإبطاء التدهور

1. تجنب ترك الهاتف في السيارات الساخنة.
2. استخدام «وضع الطاقة المنخفضة» أثناء لعب الألعاب الثقيلة أو البث الخيطي الطويل.
3. الانتقال إلى شبكات Wi-Fi بدلاً من 5G عندما تكون التغطية ضعيفة.
4. إيقاف تحديث التطبيقات في الخلفية للتطبيقات غير الضرورية.
5. الاستفادة من شواحن معتمدة MFi تدعم بروتوكول USB-PD بذكاء.
6. التخزين طويل الأمد: إيقاف الجهاز على 40-50 % وشحنه جزئيًا كل ستة أشهر.

9. استبدال البطارية: اعتبارات تقنية وقانونية

تشترط أجهزة iPhone منذ XS شريحة Texas Instruments BQ series بمفتاح مصادقة؛ البطاريات غير الأصلية قد تعطل إحصاءات Battery Health وتظهر رسالة «Service». اعتبارًا من 2023، خفّفت آبل رسائل التحذير بعد أسبوعين لكنها أبقت على عدم عرض النسبة المئوية. برنامج الاستبدال الرسمي يضمن خلايا مطابقة وقيم ESR صحيحة، ويعيد معايرة عدّاد coulomb.

10. مستقبل بطاريات الآيفون

• أنود سيليكون-غرافيت هجين: سعة نظرية أعلى بنسبة 20 % مع دورة حياة أطول.
• كاثود LFP: استقرار حراري ممتاز، مطبَّق حاليًا في بعض أجهزة iPad؛ قد يصل إلى iPhone SE القادم.
• شواحن GaN: كفاءة تحويل 95 %، حرارة أقل، ما يترجم إلى معدل نمو SEI أبطأ.

المزيد من المعلومات

لماذا تنخفض سعة البطارية مع مرور الوقت ؟

من أكبر المشاكل التي تواجهنا كمستخدمين هو الإنخفاض الواضح في سعة البطارية مع الوقت، السبب الذي دفع شركات كشركة Apple إلى إضافة ما يسمى “صحة البطارية” ليكون المستخدم على علم بالسعة الحقيقية التي تحتفظ بها البطارية بعد مرور سنوات من الاستخدام والشحن والتفريغ.

السبب وراء ذلك الإنخفاض الواضح في سعة البطارية مع الوقت يتمثل في عادة الشركات في استخدام البولي (فلوريد فينيلدين _ PVDF) كمادة رابطة في تصنيع بطاريات الليثيوم، والتي تقدم أداءاً ليس بالأفضل، فبعد 500 دورة شحن وتفريغ، تخسر البطارية جزءاً من سعتها لتمثل %75 تقريباً فقط من سعتها الأصلية، وهذا ما يفسر سبب انخفاض أداء البطارية مع الوقت!

هل يمكن أن تحل مشكلة إنخفاض سعة البطارية ؟

ولكن فمن الواضح أننا سنتمكن من التغلب على هذه المعضلة قريباً، حيث تمكن فريق من العلماء العاملين في المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (JAIST) من اكتشاف مادة رابطة جديدة، تسمى “بوليمر مشترك ثنائي-إيمينو-أسينافثينكوينون-بارافينيلين (BP)”، وبغض النظر عن هذا الإسم المعقد، فإن هذه المادة الجديدة ستسمح للبطارية بالإحتفاظ حتى %95 من سعتها على مدار 1700 دورة شحن وتفريغ !

خاتمة

يبقى تدهور البطارية ظاهرةً لا مفر منها نتيجة تفاعل كيمياء الليثيوم-أيون مع المتغيرات الحرارية والكهربية. غير أنّ التكامل العميق بين العتاد والبرمجيات في iPhone يُقدّم للمستخدمين أدوات متقدمة للتخفيف من هذا التدهور. باتباع الممارسات المبنية على البحث—من ضبط درجات الحرارة إلى الاعتماد على خوارزميات الشحن الذكي—يمكن إطالة عمر البطارية الفعّال بصورة ملموسة، وتأجيل الحاجة إلى استبدالها لأبعد مدى ممكن.

المراجع

1. Chen, M. et al., Journal of Power Sources, vol. 559, 2023.
2. Apple Inc., “iPhone Battery and Performance,” Support Article HT208387, 2024.
3. Zhang, Y. & Viswanathan, V., IEEE Transactions on Energy Conversion, 2023.
4. Keil, P. & Jossen, A., Journal of The Electrochemical Society, 2024.
5. European Union, Regulation (EU) 2023/1542 on Batteries and Waste Batteries, 2023.