Фирма «Тайм-1 » реализует различные литиевые элементы питания от ведущих производителей аккумуляторных батарей – французской компании SAFT , израильской компании TADIRAN и китайского производителя
Литиевые элементы питания SAFT, TADIRAN, MINAMOTO широко используются в различных отраслях деятельности: космической и авиационной индустриях, медицине, военной и морской промышленности, гражданском электроснабжении и др. Благодаря своей надежности и отменному качеству литиевые элементы питания по достоинству оценены производителями и установщиками систем безопасности и комплексного освещения. Кроме реализации элементов питания для всевозможных электрических устройств наша компания имеет производственные мощности, которые позволяют под индивидуальные требования заказчика, на основе имеющихся компонентов, изготовить оригинальные элементы питания любой конфигурации.
Получить профессиональную консультацию наших менеджеров или заказать необходимые элементы питания Вы можете по телефону или ICQ (раздел «Контакты»).
| Saft |
| |
| Tadiran |
Первые работы по использованию лития в качестве анодного материала в источниках тока появились в начале XIX века, но реальное развитие они получили в 1960-х годах. Исследовались источники тока с твердофазными (MnO2 , CuО, I2, CFx, FeS2 и многие другие) и жидкофазными катодными материалами (SO2 и SOCl2).
Литиевые элементы в настоящее время в ряде областей техники успешно конкурируют с более дешевыми элементами с водным электролитом. Их используют в часах, фотокамерах, калькуляторах, для защиты памяти интегральных схем, в измерительных приборах и медицинском оборудовании, там, где требуется высокая сохранность и стабильность рабочего напряжения в течение многих лет эксплуатации.
Разработаны и мощные источники тока , способные к отдаче импульсов большой энергии даже после 10-12 лет хранения.
К герметизации литиевых элементов предъявляются повышенные требования, так как должна быть исключена возможность не только вытекания электролита, но и попадания внутрь воздуха и паров воды, из-за чего возникает опасность пожара или взрыва элемента. Высокая реактивность лития, влияние влажности воздуха на состояние электродов и электролита определяют и повышенные сложности при изготовлении элементов, необходимость проведения технологических операций в герметичных блоках с атмосферой аргона и «сухих » помещениях.
Литиевые элементы, цилиндрические и дисковые, выпускаются в габаритах элементов традиционных электрохимических систем. Поэтому нужно быть внимательным, чтобы не допускать ошибок случайных замен элементов с рабочим напряжением 1,5 В на литиевые, напряжение которых значительно больше. Многие компании часто стремятся уменьшить эту опасность и поставляют элементы с приваренными нестандартными выводами в виде плоских лепестков, аксиальных иглообразных штырьков для впаивания элементов в схему и т. д.
Элементы работоспособны в диапазоне температур от -60 до + 85 °С, некоторые до +130 °С. Конструкция элементов Li/SOСl2 аналогична конструкции элементов Li/SO2, но тионилхлорид значительно агрессивнее других электролитов, поэтому обеспечение их пожаро- и взрывобезопасности потребовало больших усилий и от разработчиков, и от технологов.
Анализ механизмов, которые могут приводить к взрывам элементов Li/SOСl2, показывает, что безопасность эксплуатации этих источников тока определяется и соотношением емкостей электродов, и концентрацией электролита, и используемыми сепараторами, и многими другими факторами. Наиболее потенциально опасными являются переразряды при больших плотностях тока. Взрывы могут быть вызваны образующимися при этом дендритами лития и мелкодисперсным литием, который выделяется на катоде и может в присутствии угля вступить в химическое взаимодействие с электролитом с выделением большого количества тепла. Лимитируемые анодом элементы достаточно устойчивы при переразряде: будучи переполюсованными, они могут очень долго сохранять стабильное напряжение (на уровне -1 В) без каких-либо последствий. Элементы катодно-лимитированные выдерживают переполюсование много хуже. Разгерметизация происходит значительно раньше: при переразряде до нескольких С и тем быстрее, чем больше плотность тока.
При низкой температуре (порядка -50 °С) элементы отдают емкость в несколько раз меньше номинальной. Если затем элементы переносятся в теплое помещение, разряд продолжается, и может иметь место значительный их разогрев за счет разложения промежуточных продуктов реакции вплоть до взрыва.
Для увеличения безопасности эксплуатации элементы могут быть снабжены аварийными клапанами для сброса газа, плавкими предохранителями, тепловыми выключателями.
При проектировании батарей из элементов рекомендуется использовать внешнюю диодную защиту каждого из них, но следует помнить, что она должна функционировать только при разряде. В процессе длительного хранения обратные токи неотключенных диодов могут привести к полному исчерпанию емкости элементов.
Срок хранения элементов системы Li/SOСl2 - до 10 лет при саморазряде 1,5-2 % в год при 20 °С. При длительном хранении этих элементов может наблюдаться провал напряжения, которое затем медленно (в течение нескольких минут) восстанавливается до рабочего. Глубина и продолжительность начального спада напряжения увеличиваются при пониженных температурах.
Главным источником питания на сегодняшний день остаются литиевые батарейки. Чтобы они прослужили долго, стоит учитывать их особенности и применять в соответствующей аппаратуры. Для выбора правильного размера и емкости стоит учитывать особенности устройства.
Содрежание
В корпусе находится несколько соединённых элементов. Два контакта выводятся наружу, чтобы подсоединиться к потребляющему устройству. Элемент постоянного тока обеспечивает работу многих устройств.
На корпусе элемента питания указывается название бренда, обозначение к какому виду принадлежит - «ALKALINE», «LITHIUM». На ней же прописывается технические составляющие: вольтаж, емкость.
Согласно правилам Международной Электрической Комиссии литиевые батарейки маркируются латинскими буквами CR. Затем указывается емкость.
Все вышеперечисленные источники питания отличаются сроком службы, емкостью, поэтому подходят разным устройствам.
Солевая R6, Щелочная LR6, Литиевая FR6 Литиевые батарейки имеют несколько маркировок: CR, FR, Li-FeS2 и отличаются по форме – могут быть цилиндрическими или в форме параллелепипеда, дисков. Выпускаются элементы питания разного типоразмера, согласно существующей классификации США:
Состоит литиевая батарейка из разных компонентов. Определить этот показатель можно просто на корпусе, где указан также ее размер, емкость, класс, напряжение.
Элементы питания такого типа отличаются большой емкостью на единицу массы. В ее составе сразу же несколько компонентов - катод, анод. Разделены материалы диафрагмой, пропитанной органическим электролитом.
К преимуществам можно отнести:
Единственный недостаток такого элемента питания заключается в высокой стоимости. Но лучше один раз заплатить, чем постоянно менять их. Важно следовать рекомендациям по эксплуатации источников питания.
Аккумуляторы от обычных батареек отличаются указателем емкости, которая измеряется в миллиамперах в час. Напряжение обычной батарейки составляет 1,6 вольт, а аккумуляторной 1,2 v.
CR123 Обычные литиевые батарейки нельзя заряжать. В лучшем случае все закончиться обычным шипящим звуком, в другой ситуации возможен взрыв батареи, сопровождающийся всеми вытекающими последствиями. Изделие предназначено для однократного использования, не пытайтесь восстановить.
Свойства, обусловленные литием.
Типы батареек с положительными электродами из различных материалов.
-Железодисульфидные.
-Диоксид марганца.
-Тионилхлорид.
-Диоксид серы.
-Полимонофторуглерод.
Депассивация
Правила обращения и меры предосторожности.СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛИТИЕМ
Батарейки с литиевым отрицательным электродом выпускаются в цилиндрическом, дисковом и призматическом корпусах.
Производство литиевых батареек началось в семидесятых годах в нескольких странах. Наилучшие результаты удалось получить при использовании лития в сочетаниях с твердыми и органическими электролитами. Улучшить эксплуатационные и энергетические параметры позволил отказ от водного электролита.
Литий в слитках в виде секторной формы. При обычных условиях литий реагирует с кислородом и азотом воздуха, покрываясь пленкой темного цвета.
Литий – мягкий, пластичный металл, расположен первым в ряду электродных потенциалов. Его электродный потенциал составляет – 3,045 вольта. Подробнее об электродных потенциалах рассказано в статье “Разность электродных потенциалов – возможность работы батарейки”. Это позволяет создавать батарейки напряжением около трех вольт, что упрощает реализацию питания многих приборов. Одна литиевая батарейка может заменить две щелочных или солевых. Напряжение 3 вольта литиевой батарейки, вместо привычных 1,5 вольт кроме преимуществ имеет недостатки в виде некоторых особенностей применения. Литиевые батарейки производятся в стандартных корпусах, поэтому с их появлением требуется внимательно проверять напряжение устанавливаемых батареек. Литий самый легкий металл. Батарейки, имеющие литиевые электроды на одну треть легче щелочных батареек. Химически литий очень активен. Эти свойства лития позволяют создавать химические источники тока минимальных размеров и массы. Главное преимущество литиевых источников тока – очень высокая плотность энергии, гарантирующая большой заряд. Это позволяет литиевым батарейкам обеспечивать наибольшую продолжительность работы по сравнению с другими химическими элементами. Также среди преимуществ этого типа батареек работа в условиях экстремальных температур.
Литиевые электроды во всех электролитах покрываются пассивной пленкой толщиной несколько нанометров. Пленка обладает свойствами твердого электролита, проводящего ионы лития. Образование пленки предотвращает самопроизвольную реакцию литиевого электрода с электролитом, поэтому литиевые элементы имеют низкий саморазряд. Снижения заряда составляет 1-2 % в год. Срок хранения литиевых батареек составляет 10 лет, а некоторых типов до пятнадцати лет. При различных токах разряда емкость батареек почти не изменяется. В начале работы батарейки желательно провести депассивацию, разрушающую пленку на литиевом электроде.
Недостатком батареек является высокая цена из-за используемого лития, но с течением времени потребление этого типа батареек будет возрастать, а с увеличением добычи и переработки лития цена будет снижаться. Большая часть лития добывается в восьми странах.
Добыча лития.
Объем запасов лития на территории России приблизительно оценивается как 1 миллион тонн. Более половины сосредоточенно в месторождениях Мурманской области. Производителями лития и его солей в Росси являются Новосибирский завод химконцентратов и Красноярский химико-металлургический завод.
Литий способен вызвать ожоги из-за постоянно присутствующей на коже влаги. Работать с литием можно только в защитной одежде и очках. Высокая активность лития усложняет технологию производства батареек. Хранить литий можно только под слоем минерального масла. Для уничтожения отходов лития их обрабатывают этиловым спиртом.
В литиевых батарейках цилиндрической формы используются электроды ленточного типа. Преимущества рулонной конструкции электродов: низкое сопротивление и сниженный нагрев. Такая конструкция позволяет увеличить ток разряда батарейки.
Рулонные электроды цилиндрической литиевой батарейки. Для отрицательного электрода используется литиевая фольга.
Батарейки обладают высокой степенью герметичности, для повышения безопасности эксплуатации в конструкцию входят клапаны, предотвращающие критическое повышение давления. Производство происходит в герметичных объемах в сухой атмосфере инертных газов. В этих батарейках нет вредных веществ, содержащихся в других типах. Исключено содержание ртути, кадмия, свинца.
Применяются в компьютерах, промышленной автоматике, медицинских приборах, различных переносных и карманных устройствах, электронных часах и играх, измерительных приборах, счетчиках расхода газа, фото и видеотехнике и во многих других областях, где востребована герметичность батареек и эксплуатация в течении многих лет.
В последние годы усиливается интерес к литиевым батарейкам, имеющим твердый положительный электрод, изготовленный из дисульфида железа FeS2 (пирит). Благодаря химическому составу этот тип батареек имеет напряжение 1,5 вольта, в отличии от других литиевых источников питания, что позволяет их использовать вместо устаревших типов батареек с водным электролитом. При разряде литий отрицательного электрода превращается в сульфид лития. Цилиндрическая батарейка содержит электроды рулонной конструкции. При изготовлении положительного электрода натуральный пирит, размельченный и смешенный с графитом размещается на пленочном токоотводе. После установки в корпус батарейки ленточных электродов производят заполнение электролитом и герметизируют корпус. В состав батарейки входит терморезистор, ограничивающий ток через батарейку при ее нагреве. Сохранность батареек 15 лет и более. Работоспособность сохраняется при понижении температуры до – 40 °С.
Железосульфидная батарейка Energizer L91 и ее разряд током 1 ампер при температуре 21 °C.
Железосульфидная батарейка Duracell LF1500 и ее разряд током 1 ампер при температуре 21 °C.
Литий-железодисульфидные батарейки предназначены для использования в режиме токов разряда 0,5 ампер, выпускаются в цилиндрическом и дисковом корпусе. О дисковом исполнении литиевых батареек рассказано в статье “Конструкция батареек”.
Наиболее распространен и изучен из литиевых батареек тип, имеющий твердый положительный электрод, изготовленный из термообработанного диоксида марганца MnO2. В результате реакции разряда образуется оксид лития. Этот тип батареек в наименовании имеет буквы СR. Напряжение составляет 3 вольта. Батарейки сохраняют работоспособность до десяти лет, могут отдавать большой ток и имеют значительную емкость. К этому типу принадлежит батарейка "Корунд" напряжением 9В, состоящая из трех элементов.
Корпус батарейки выполнен из нержавеющей стали. Мембрана, разделяющая электроды, выполнена из полипропилена.
Конструкция диоксид марганцевой Конструкция катушечной диоксид
батарейки со спиральными электродами, марганцевой батарейки, герметизация герметизация крышки закатыванием. крышки лазерной сваркой
Батарейки со спиральными электродами имеют закатанную крышку или приваренную лазером, батарейки катушечной конструкции имеют крышку, приваренную лазером.
Закатанная крышка батарейки. Крышка батарейки приварена лазером.
Диапазон температуры Батарейки работают в интервале
эксплуатации от – 20 до 60 °C. температуры от – 40 до 85 °C.
Для защиты от перегрева и короткого замыкания в конструкции закатанной батарейки присутствует терморезистор с положительной температурной характеристикой. При нагревании его сопротивление увеличивается незначительно, но при достижении температурой значения 85 °C сопротивление резко возрастает, что приводит к снижению тока через батарейку до минимального значения.
Расположение терморезистора в конструкции положительного полюса батарейки.
Батарейки катушечного типа в цилиндрическом корпусе рекомендуются для применения в устройствах с низким потреблением мощности: 5 миллиампер при непрерывном потреблении и 20 миллиампер в импульсном режиме. Это могут быть резервные запоминающие устройства, часы, календари, счетчики воды, счетчики газа, автомобильная электроника. Батарейки со спиральными электродами предназначены для токов непрерывного потребления 1,5 ампера, а в импульсном режиме 4 ампера.
Диоксид марганцевая батарейка Varta CR AA катушечной конструкции и разряд нагрузками различного сопротивления при температуре 21 °C.
Батарейки Li/SOCl2 обладают наилучшими удельными характеристики. Тионилхлорид – химически высокоактивная жидкость. При разряде батарейки образуется хлорид лития, диоксид серы и сера. Электролитом является раствор тетрахлоралюмината в тионилхлориде. Диоксид серы большей частью растворяется в электролите, поэтому давление в батарейке не повышается. Основным компонентом пассивной пленки, образующейся на литиевом электроде, является хлорид лития. Материал положительного электрода это пористый углерод, пропитанный тионилхлоридом, таким образом, батарейки этого типа имеют жидкий положительный электрод. Батарейки выпускаются с различными типами выводов аксиальными, ножевыми, гибкими проводами. Благодаря такому положительному электроду батарейки на основе тионилхлорида имеют наибольшее значение удельной энергии среди литиевых батареек. Например, весовая удельная энергия цилиндрической батарейки в корпусе AA катушечной конструкции может достигать 1000 ватт-часов на литр. Напряжение батарейки находится в пределах от 3,3 до 3,6 вольт, хранение до 10 лет при саморазряде 1,5…2 % в год при температуре 20 °С. Батарейки катушечной конструкции предназначены для работы в режиме малых токов и ориентированы на резервное питание запоминающих устройств. Температура работы от – 55 до 85 °C, с применением особого электролита от – 50 до 150 °C. При температуре около – 50 °С емкость снижается в несколько раз ниже номинальной.
Отрицательный электрод изготавливается осаждением лития на внутренней поверхности корпуса. Большую часть объема корпуса батарейки занимает пористый катод. Батарейки предназначены для питания приборов небольшим током в течение длительного времени.
Тионилхлоридная батарейка EEMB ER14250 катушечной конструкции и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Тионилхлоридная батарейка Saft LS14500 катушечной конструкции и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Применение ленточных электродов, упакованных в виде спирали, дает возможность использовать батарейки в режиме повышенных токов. В батарейку введен аварийный клапан давления и плавкий предохранитель для защиты от перегрузки.
Тионилхлоридная батарейка Saft LSH 14, содержащая внутреннюю спиральную конструкцию и характеристики разряда различными токами при температуре 21 °C.
Высокопроизводительные батарейки содержат трихлоралюминий, который растворяет пассивную пленку хлорида лития на отрицательном электроде, но при этом ускоряется коррозия лития.
Батарейки находят применение в запоминающих устройствах, сигнализации, освещении, автомобильной электронике, в бурильном оборудовании, в геотермальных измерениях, радиосвязи и во многих других.
После хранения может потребоваться депассивация. Если после работы в условиях экстремально низкой температуры батарейка попадает в прогретое помещение и разряд продолжается, то возможен разогрев за счет разложения продуктов реакции, который может привести к взрыву.
Батарейки на основе SO2 наиболее универсальны благодаря соответствию различным техническим требованиям, хорошей изученности, накопленному опыту производства и высокой механизации технологических процессов. Обладают стабильным напряжением почти до окончания разряда. Они имеют высокую удельную емкость и способны работать в широком температурном диапазоне от – 60 до 70 °С. Некоторые модели этих батареек могут работать при понижении температуры до – 70 °C. Положительный электрод представляет собой соединение политетрафторэтилена и ацетиленовой сажи. Электролитом батарейки служит диоксид серы с добавками. В результате реакции разряда образуется Li2S2O4. Батарейки выполняются в корпусах с высокой герметичностью. Жидкое состояние диоксида серы обеспечено давлением внутри батарейки в две атмосферы. В конструкции присутствует защитный клапан, снижающий давление, при повышении температуры до значения около 105 °С. Батарейки выпускаются в цилиндрическом корпусе, содержащем катушечное или спиральное исполнение электродов. Напряжение батареек составляет от 2,5 до 2,8 вольта, срок хранения может достигать десяти лет при температуре 20 °С или 1 год при температуре 70 °C. Низкое внутреннее сопротивление даже при низких температурах позволяет использовать этот тип при условиях, исключающих применение других типов батареек: космос, океанология, холодные районы. Батарейки на основе диоксида серы широко применяются в гражданских и военных областях.
Диоксид серная батарейка EEMB LSS26500 и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Главным преимуществом этого типа литиевых батареек Li/(CFx )n является высокий энергетический потенциал при температурах 85 °C и даже 125 °C. Батарейки применяются в первую очередь в устройствах, нагревающихся во время работы. Емкость едва заметно снижается после года хранения при температуре 21 °C, а при температуре хранения 90 °C потеря емкости составляет около 2 % в год. При хранении в течение 10 лет батарейки теряют не более одной пятой части емкости. Эти батарейки одни из первых с твердым положительным электродом, появившиеся на промышленном рынке. Удельная энергия полимонофторуглеродной литиевой батарейки достигает 600 ватт-часов на литр. Напряжение работы этих батареек составляет от 2,5 до 2,8 вольта. В процессе реакции фторированный углерод превращается в обычный углерод, происходит рост электропроводности, улучшая условия разряда. Применяются при малых и умеренных токах потребления.
Положительный электрод состоит полимонофторуглерода. Его изготовление происходит при температуре от 300 до 600 °C в атмосфере фтора.
Электролит – раствор гексафторарсената лития в диметилсульфоксиде. В батарейках, выполненных в дисковом корпусе, литиевая фольга расположена на медной решетке, а положительный электрод из политетрафторэтилена и ацетиленовой сажи, находится на решетке из никеля. Батарейки рассчитаны на низкую мощность, выпускаются в корпусах различной формы, успешно используются в запоминающих устройствах, в кардиостимуляторах и в имплантируемых дефибрилляторах. Высокотемпературные дисковые батарейки применяются в автомобильной электронике, в автоматике шлагбаумов и других областях электротехники.
Если предполагается работа в условиях температуры ниже нуля, потребление средних токов, то по цене этот тип батареек не выдерживает конкуренции с более дешевыми литиевыми батарейками, имеющими положительный электрод из диоксида марганца.
Полимонофторуглеродный первичный химический источник питания Panasonic BR1220 и его разряд при различной температуре.
Многочисленные преимущества литиевых батареек омрачает образование пассивной пленки на литиевом электроде. Если для питания часов или пульта телевизора применить литиевые батарейки напряжением 1,5 вольта с расчетным током эксплуатации 0,5 ампер, то возможно прибор будет неуверенно работать после установки весьма дорогих источников питания. Для таких устройств нужно применять литиевые батарейки, предназначенные для работы в режиме малых токов, но на 1,5 вольт маломощные литиевые батарейки для бытовой техники найти сложно. Выход видится в проведении депассивации при установке элементов или каждый раз при включении прибора, если прибор долго не эксплуатировался. Для депассивации нужно подвергнуть батарейки кратковременному импульсу разрядного тока в 10-20 миллиампер. Это мероприятие должно разрушить или ослабить пассивную пленку на литиевом электроде. Если специально предназначенные батарейки устанавливаются в отсек питания прибора с током в десятки миллиампер, то пассивная пленка будет разрушена во время начального периода работы батареек. Для обеспечения депассивации существуют рекомендации производителей литиевых батареек в виде цепей, содержащих конденсаторы. Параллельно батарейке включается конденсатор. При заряде конденсатора происходит кратковременная импульсная нагрузка батарейки. Для универсальности применения различных химических систем батареек, приборы, имеющие батарейное питание можно оснастить конденсаторами, емкостью 0,22…0,68 мкФ, подключенные параллельно батарейкам. Если депассивацию не проводить, то в первое время работы будет наблюдаться провал напряжения. Это приходится наблюдать при установке новой литиевой батарейки в материнскую плату персонального компьютера. Батарейка начинает поддерживать память часов реального времени спустя 2-3 дня после установки. Это время необходимо для разрушения пассивной пленки.
Батарейки запрещается вскрывать, нагревать, сжигать. Следует избегать замыкания полюсов батарейки. Ни в коем случае нельзя пытаться зарядить литиевую батарейку. Устанавливать в прибор, имеющий отсек для нескольких батареек можно батарейки только одного типа и марки. Если обнаружено нарушение корпуса, то батарейки заменить и в дальнейшем не использовать. При установке проверять полярность, ориентируясь на маркировку. Литиевые химические элементы могут иметь конструкцию полюсов, отличающуюся от традиционной конструкции.
№4 / 2016 / статья 6
Сергей Миронов (КОМПЭЛ)
Возможно ли рассчитать остаточный заряд химического источника тока (ХИТ)? Для каких применений предпочтительнее литий-тионилхлоридные батареи, а для каких – литий-диоксидмарганцевые ? Что такое пассивация , из-за чего она происходит и как с ней бороться? Обо всем этом на примере литиевых химических источников тока крупнейших мировых производителей EEMB и SAFT расскажет данная статья.
Одновременно с бурным развитием беспроводных технологий резко увеличилось и количество промышленных устройств, имеющих в своем составе гальванические элементы на основе лития (приборы учета энергоресурсов и датчики контроля с дистанционным сбором информации, GPS-трекеры/навигаторы, автоохранные системы, охранно-пожарные датчики и другие). Это объясняется тем, что по энергетическим параметрам указанные элементы питания значительно превосходят изделия других существующих типов, таких как щелочные, серебряные, хлорид-цинковые. Промышленные устройства, как правило, рассчитаны на длительный период службы, эксплуатируются в широком температурном диапазоне, и по этой причине перечисленные источники тока во многих случаях уже не являются оптимальным выбором. У них невысокая плотность энергии, высокий саморазряд, короткий срок хранения/службы, они плохо переносят отрицательные температуры (ниже -20…-30°C), а их напряжение имеет заметную зависимость от величины остаточной емкости. Поэтому, в промышленных устройствах наиболее востребованными оказались литиевые химические источники тока (ЛХИТ), которые не имеют подобных недостатков, или они слабо выражены.
Литиевые химические источники тока обладают максимальным значением плотности энергии и характеризуются повышенным номинальным напряжением по сравнению с другими типами элементов питания. Напряжение литиевого гальванического элемента, если рассматривать наиболее распространенные, имеет значение 2,9…3,6 В против 1,2…1,5 В у других типов, при этом напряжение имеет слабо выраженную зависимость от степени разряда (рисунок 1). Поэтому во многих устройствах можно обойтись всего лишь одним элементом. Дополнительным фактором, способствующим более широкому применению ЛХИТ, является и тенденция снижения стоимости как результат развития технологий производства.
Литиевые гальванические элементы питания в различных форм-факторах (цилиндрические, «таблетка», призма) выпускаются в промышленных масштабах уже около 25-30 лет. На рынке можно встретить источники тока многих электрохимических систем, в частности, среди первичных источников тока (гальванические элементы; батарейки) это будет литий-тионилхлорид (Li-SOCl2), литий-диоксид серы (Li-SO2), литий-хромат серебра (Li-Ag2CrO4), литий сульфид меди (Li-CuS), литий-диоксид марганца (Li-MnO2), литий-монофторид углерода (Li-CFx) и другие. Некоторые из указанных систем известны только в узких специализированных сегментах, например, в медицине для использования в кардиостимуляторах или в специальных изделиях военного назначения.
На массовом рынке среди первичных источников тока наиболее известны литий-тионилхлоридные и литий-диоксидмарганцевые. Если учитывать в совокупности технические, экономические и эксплуатационные особенности, то абсолютно идеального химического источника тока для любого применения пока еще не существует. Можно говорить лишь об оптимальности параметров в каждом конкретном применении.
Несмотря на то, что ЛХИТ выпускаются длительное время и достаточно известны, тем не менее, есть некоторые особенности их применения, на которые необходимо обращать серьезное внимание. Пренебрежение этими особенностями или их игнорирование зачастую приводит к тому, что выбранный ЛХИТ не отрабатывает ресурс, на который был рассчитан, не может обеспечить требуемый импульсный ток, не держит напряжение; устройство отказывается работать при установке в него нового элемента или после длительного периода ожидания оно вдруг не срабатывает, хотя элемент питания еще не успел разрядиться.
Все эти особенности можно условно разделить на особенности общего характера, которые не зависят от электрохимической системы, а связаны с правильностью предварительных расчетов и умением разработчика читать спецификацию, и на особенности, которые непосредственно связаны с электрохимической системой элемента питания.
В таблице 1 указаны некоторые типовые значения основных параметров наиболее распространенных первичных ЛХИТ производства компаний EEMB и SAFT. Такие параметры как стоимость и энергоемкость показаны условно (звездочками) исключительно для сравнительных целей.
Таблица 1. Типовые значения параметров ЛХИТ производства EEMB и SAFT
| Технология | Литий-тионилхлорид (Li-SOCl2) | Литий-диоксидмарганца (Li-MnO2) | |||
| Производитель | EEMB | SAFT | EEMB | SAFT | EEMB |
| Форм-фактор | цилиндрический | цилиндрический | «таблетка» | ||
| Напряжение, В | 3,6 | 3 | |||
| Температурный диапазон, °С | -55…150 | -60…150 | -40…85 | -40…70 | -20…125 |
| Саморазряд, % в год | 1 | 1 | 1…3 | ||
| Срок хранения (нормальные условия), лет |
до 15…20 | до 10…15 | до 7 | ||
| Сравительная энергоемкость | *** | ** | |||
| Сравнительная стоимость | ** | **** | *** | ***** | * |
| Пассивация | есть | слабо выраженная | нет | ||
Как видно из таблицы, лучшими техническими и экономическими параметрами среди цилиндрических элементов обладает литий-тионилхлоридный. Данный тип электрохимической системы имеет максимальное напряжение, лучшую энергоемкость, самый низкий саморазряд и минимальную стоимость (сравнение между изделиями одного производителя, но не между производителями). На основе этой системы можно найти батарею практически для любого температурного диапазона с перекрытием от -60 до 150°С и с максимальным током разряда от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер (в зависимости от конструкции элемента, – «бобинной» (высокоемкой) или «спиральной» (высокомощной), – и его габаритов). Казалось бы, вот идеальная батарейка, но не все так однозначно. Если мы имеем исключительные характеристики, то непременно найдется что-то не очень приятное.
В данном случае неприятность связана с эффектом пассивации. Принципиально эффект пассивации есть у всех литий-тионилхлоридных элементов всех производителей, но у кого-то он выражен сильнее, а у кого-то слабее. Например, в продукции французского производителя SAFT этот эффект выражен значительно слабее по сравнению с производителем EEMB или другими. С другой стороны, продукция SAFT имеет существенно более высокую стоимость. Разница в стоимости может достигать 2,5…3 раза.
Поскольку подавляющее количество претензий к тионил-хлоридным элементам связано с пассивацией, рассмотрим подробнее этот эффект. Сразу заметим, что этот процесс обратимый, и пассивированный элемент не является бракованным, но перед использованием его следует депассивировать (активировать). Как это сделать, рассказано ниже.
Эффект пассивации заключается в образовании изолирующей пленки (хлорида лития) на поверхности литиевого анода в процессе производства элемента. Пленка образуется из-за химической реакции, возникающей еще во время сборки элемента. Образовавшаяся пленка прекращает химическую реакцию и резко уменьшает ток саморазряда, в результате чего мы имеем элемент с длительным сроком хранения (до 15-20 лет при нормальных условиях) практически без ухудшения параметров. Но есть и отрицательная сторона этого процесса. Если к элементу подключить нагрузку, потребляющую достаточно большой ток, то на нагрузке в начальный момент времени окажется пониженное напряжение около 2,3…2,7 В (и даже меньше), хотя на холостом ходу напряжение будет нормальным 3,3…3,6 В. Это происходит из-за того, что образовавшаяся пленка имеет низкую проводимость и не может разрушиться мгновенно, препятствуя протеканию тока.
Степень пассивации элемента (толщина пленки) зависит от времени и условий его хранения, а также от режима эксплуатации. Чем больше период хранения и выше температура, тем толще пленка. Значительные негативные проявления эффекта пассивации начинаются после 5-6 месяцев хранения в нормальных условиях либо как результат длительного использования элемента в микротоковом режиме (единицы микроампер).
В реальной жизни часто встречаются устройства, работающие большую часть времени в ждущем (микротоковом) режиме (например, датчики). Приборы длительное время потребляют ток несколько микроампер или десятков микроампер, а по свершению некоторого события должны включиться в режим среднего или большого энергопотребления. В этом случае, если в прибор установлена батарея после длительного хранения или режим микропотребления длился очень долго, переход в режим повышенного энергопотребления может и не произойти. Элемент выдаст пониженное напряжение, и устройство не включится.
Пониженное напряжение в меньшей степени влияет на устройства с малым потреблением тока. В момент подключения такой нагрузки напряжение на элементе снизится незначительно, и устройство будет работать, однако, если ток очень мал (несколько микроампер), то процесс пассивации может продолжиться, и в какой-то момент времени работа устройства станет нестабильной.
При подключении нагрузки, потребляющей несколько миллиампер (средняя нагрузка), произойдет понижение напряжения, и затем через некоторое время оно восстановится до нормального значения. Это объясняется тем, что при потреблении указанного тока имеющаяся пленка с течением времени разрушится, а постоянно протекающий или протекающий с достаточно короткими промежутками времени ток будет препятствовать ее образованию, и устройство будет работать стабильно.
Пониженное напряжение на элементе в момент подключения нагрузки, потребляющей большой ток (десятки миллиампер), может нарушить ее работу, или же она просто не включится. Замена элемента на новый (только что купленный и не бывший в эксплуатации) ситуацию не исправит, а проверка нагрузки покажет, что с ее схемой все в порядке.
Подобный случай встречался в практике автора статьи. Во время работы на одном из предприятий пришлось подготавливать изделие к серийному выпуску. Изделие состояло из нескольких отдельных устройств, одно из которых имело особенность – его рабочий режим был импульсным с достаточно большим током потребления (пульт дистанционного управления). Источником питания в изделии являлись литиевые элементы. В то время (начало 90-х) подобные элементы были не особенно распространены, и отдел закупок приобрел партию похожих по напряжению изделий. Эти элементы были установлены в устройства, и оказалось, что у всех устройств, уже проверенных и настроенных, резко сократилась дальность связи. Посчитали, что элементы долго хранились и потеряли часть емкости (они и на самом деле хранились достаточно долго). Была закуплена еще одна партия элементов (более «свежих») – ситуация кардинально не улучшилась. Когда стали разбираться, выяснилось, что данные элементы являются тионил-хлоридными и обладают эффектом пассивации. Проблему смогли решить некоторой доработкой схемы. Внутри устройства подключили несколько дополнительных электролитических конденсаторов параллельно разъему питания. Первые включения устройства стали происходить за счет части энергии, накопленной в конденсаторах, и, одновременно с этим, импульсы тока депассивировали элемент.
Литий-тионилхлоридные элементы, которые перед использованием хранились полгода и более, необходимо депассивировать, т. е. разрушить изолирующую пленку хлорида лития импульсом тока. На рисунке 2 представлен график, поясняющий депассивацию литий-тионилхлоридных первичных источников тока. На графике имеются четыре области.
I: показывает напряжение на элементе в отсутствии нагрузки (холостой ход; 3,6 В);
II: при подключении нагрузки в момент времени t0 возникает импульс тока, который приводит к резкому уменьшению напряжения на элементе до уровня 2,4 В.
III: происходит разрушение основной части площади изолирующей пленки и напряжение на элементе возрастает до 3 В. При достижении напряжения 3,0 В с подключенной нагрузкой считается, что депассивация выполнена.
IV: происходит дальнейшее разрушение оставшейся части площади пленки и напряжение постепенно повышается до номинального значения.
Для активации ни в коем случае нельзя делать короткое замыкание выводов элемента питания. Подобный метод приведет к выходу элемента из строя. Существуют рекомендованные производителем допустимые режимы (ток и время) депассивации. В таблице 2 указаны режимы депассивации для некоторых элементов компании EEMB.
Таблица 2. Режимы депассивации для ЛХИТ производства EEMB
» target=»_blank»>er-1″ style=»text-align: center; background-color: white; width: 100%; border-collapse: collapse; border: #989DA7 2px solid;»>
| Наименование | Ток активации/ нагрузочное сопротивление | Время хранения/время активации | Критерий проверки (активации)* | ||||
| 3 месяца | 6 месяцев | 12 месяцев и более |
Напряжение холостого хода, В | Напряжение на нагрузке, В |
|||
| ER14250 | 10 мА/330 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 330 | ≥3,2 |
| ER14335 | 15 мА/220 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 220 | ≥3,2 |
| ER14505 | 20 мА/165 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 165 | ≥3,2 |
| ER17335 | 20 мА/165 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 165 | ≥3,2 |
| ER18505 | 33 мА/100 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 100 | ≥3,2 |
| ER26500 | 60 мА/56 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 56 | ≥3,2 |
| ER34615 | 60 мА/56 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 56 | ≥3,2 |
| ER341245 | 100 мА/33 Ом | 10 мин. | 20 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 33 | ≥3,2 |
| ER14250M | 60 мА/56 Ом | 10 мин. | 15 мин. | 30 мин. | ≥3,6 | 56 | ≥3,2 |
| ER14335M | 60 мА/56 Ом | 10 мин. | 15 мин. | 30 мин. | ≥3,6 | 56 | ≥3,2 |
| ER14505M | 100 мА/33 Ом | 10 мин. | 15 мин. | 30 мин. | ≥3,6 | 33 | ≥3,2 |
| ER17335M | 100 мА/33 Ом | 10 мин. | 15 мин. | 30 мин. | ≥3,6 | 33 | ≥3,2 |
| ER18505M | 100 мА/33 Ом | 10 мин. | 25 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 33 | ≥3,2 |
| ER26500M | 150 мА/22 Ом | 10 мин. | 25 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 22 | ≥3,2 |
| ER34615M | 150 мА/22 Ом | 10 мин. | 25 мин. | 35 мин. | ≥3,6 | 22 | ≥3,2 |
| * – Проверку по критерию активации проводить через 1 час после депассивации. | |||||||
Поскольку прохождение тока приводит к разрушению диэлектрической пленки, то во избежание пассивации элемента в устройстве, длительное время работающем в режиме ожидания или в режиме микротоков, необходимо предусмотреть алгоритм периодического включения этого устройства или периодическое подключение дополнительной нагрузки к элементу питания. Если в устройстве есть микроконтроллер, то организовать это несложно и можно выполнить на программном уровне. Если по каким-то причинам это невозможно, то следует реализовать непрерывный разряд элемента небольшим током. Например, для предварительно депассивированного элемента ER14505 (тип АА) производитель EEMB рекомендует постоянный ток разряда на уровне 7…10 мкА. В любом случае, для устройства, работающего в режиме микротоков или в импульсном режиме с длительными периодами ожидания, следует вначале проконсультироваться с производителем или его представителем по профилю разряда на предмет пассивации и получить рекомендации, как ее избежать, если по выбранному профилю она может возникнуть.
С пассивацией/депассивацией связан еще один нюанс. Бывает, что депассивированный элемент пытаются проверить, подключая к нему нагрузку, близкую к максимальной. Например, если в спецификации указан максимальный постоянный ток 200 мА, то подключают соответствующую нагрузку и, наблюдая за показаниями прибора в режиме измерения напряжения, видят в течение какого-то времени постепенное понижение напряжения на несколько десятых долей вольта. На основании этого делается вывод о том, что элемент разряжен и у него недостаточная емкость. Однако последующие проверки показали, что это не всегда так.
При подключении нагрузки на более длительный период времени (15…20 минут) после спада напряжения можно увидеть его последующий рост до 3,2 В и даже выше. Если же нагрузку коммутировать в импульсном режиме с максимальным током для выбранного элемента, то в момент подключения наблюдается незначительное снижение напряжения с последующим восстановлением в момент отключения нагрузки, а уже через некоторое количество таких коммутаций напряжение имеет значение 3,2…3,3 В и практически не меняется. Проверка на токе, в несколько раз превышающем номинальный, показала стабильное напряжение 3,4 В с небольшим ростом до 3,5 В.
Было проведено несколько подобных экспериментов с различными тионил-хлоридными элементами. Один из результатов эксперимента показан на рисунках 3 и 4. Во всех проведенных экспериментах батарейки отдали емкость, близкую к той, которая должна быть при выбранном токе разряда конкретного элемента. По информации от производителя, при разряде постоянным током, имеющим значение, сравнимое с максимальным, емкость элемента может снизиться до 40…50% по отношению к указанной в спецификации (рисунок 5). Для элементов, участвующих в эксперименте (три элемента ER26500 (EEMB) и один элемент LS26500 (SAFT)) номинальный ток разряда, указанный в спецификации, составляет 2 мА (EEMB) и 4 мА (SAFT), а максимальный ток разряда – 200 мА и 150 мА соответственно. Емкость элементов EEMB 9,0 А ч (при токе 2 мА), SAFT 7,7 А ч (при токе 4 мА). Причем, элемент SAFT был практически новым и не подвергался предварительной депассивации, а элементы EEMB были со сроком хранения около одного года и предварительно были депассивированы в соответствии с данными в таблице 2.
Конечно, снижение напряжения на элементе 1 до 1,7 В при максимальном постоянном токе – это существенно ниже, чем напряжение отсечки многих устройств, и при таком напряжении устройства просто не работают. Однако следует учесть важный момент. На выбранном значении тока элемент/устройство отработает всего лишь сутки, что очень мало. Это показывает, что разряд или продолжительная проверка элемента на максимальном токе в большинстве случаев лишена смысла, поскольку на практике такой режим не используется (в устройстве пришлось бы менять батарейку каждые сутки).
На практике чаще используется импульсный режим или режим разряда небольшим током. А именно при таких режимах депассивированные элементы, которые можно было бы вначале забраковать, повели себя приемлемо.
Результаты данного эксперимента можно объяснить тем, что при проведении первой депассивации элемент мог быть не полностью восстановлен (изначально была глубокая пассивация). А последующий разряд его просто полностью восстановил. Только при разряде повышенным током элемент как бы еще раз прошел процесс активации, и мы это увидели, а при разряде импульсным током или относительно небольшим током (кривая 2) этот процесс прошел незаметно для нас.
Результаты проведенных экспериментов не говорят, что всегда будет именно такая картина. Многое может зависеть от конкретной партии элементов и условий ее хранения. Тем не менее, результат показателен тем, что все батарейки, которые по предварительным данным можно было считать севшими, оказались заряженными. Поэтому если на практике депассивированный или новый элемент при подключении нагрузки с током, близким к максимальному значению, покажет вначале снижение напряжения, то не следует его сразу браковать, а нужно попробовать разрядить его, наблюдая за поведением напряжения, и уже на основании этого сделать окончательный вывод с учетом предполагаемого алгоритма работы устройства.
На практике у разработчиков и пользователей всегда имеется вопрос по реальной емкости гальванического элемента питания. Емкость батарейки наряду с ее напряжением являются самыми важными параметрами. Зная реальную емкость и точный алгоритм работы устройства, всегда можно было бы точно предсказать срок службы устройства или момент, когда нужно заменить батарейку. Это крайне важно при использовании ЛХИТ. Как видно из рисунка 1, по контролю напряжения предсказать время разряда элемента очень сложно, поскольку кривая разряда – пологая. И только непосредственно перед самым разрядом напряжение элемента быстро понижается, и можно просто не успеть заменить вовремя батарейку.
Можно ли точно или с достаточной степенью точности узнать остаточную (имеющуюся в каждый момент времени) реальную емкость батарейки? К сожалению, нельзя! Узнать точную емкость элемента питания можно, только разрядив его полностью, но эта информация уже будет не актуальна, поскольку элемент нельзя использовать повторно. Даже если исходить из того факта, что производитель не лукавит и честно указывает в спецификации емкость элемента питания, а в устройстве реализован подсчет расходуемой энергии, то и в этом случае нельзя точно предсказать остаточную емкость. Почему? – Это можно понять, если рассмотреть график зависимости емкости элемента от тока разряда при различных температурах (рисунок 5).
Из графика следует, что при различном токе потребления при постоянной нормальной температуре емкость элемента меняется от 7,7 А ч до 3,9 А ч. Причем следует помнить, что подобные графики снимаются при постоянном непрерывном токе разряда. В работающем устройстве подобный режим практически невозможен. Как правило, в устройстве потребление тока носит переменный характер. Какую-то часть времени устройство работает на малом токе, даже меньше чем 1 мА (ограничение на приведенном графике), а какую-то часть времени – на другом значении тока, вплоть до максимального. Кроме того, устройство работает в широком температурном диапазоне, и от этого тоже зависит емкость элемента. Причем при каком-то значении температуры емкость увеличивается с ростом тока (70°C на графике), а при каком-то – уменьшается. Например, если устройство постоянно потребляет ток 20 мА, то в диапазоне температур -40…70°C емкость его будет меняться от 3,4 А ч до 7 А ч – и уменьшаться, и увеличиваться. И кстати, непонятно, при какой температуре емкость начинает расти совместно с увеличением тока. На приведенном графике эта температура 70°C, а возможно, такой же характер будет и при 60°C? Чтобы это знать, требуется снять семейство кривых с очень малым шагом, и все равно практической пользы от этого не будет.
Кроме зависимости от тока и температуры, есть и дополнительные факторы, например, после импульса тока, когда устройство переходит в режим микропотребления, часть активного вещества батарейки расходуется на пассивацию (новое образование пленки), и чем больше импульсов, тем больше тратится этого вещества, а следовательно – и энергии. Даже если в устройстве наряду с подсчетом энергии имеется и контроль температуры, чтобы вводить поправочные коэффициенты, все равно нельзя точно определить остаточную емкость батарейки. Поэтому существует такое понятие, как эффективность (коэффициент) использования батареи.
Коэффициент использования батарейки показывает, какая часть энергии будет использована, а какая просто уйдет в потери, связанные с зависимостью от тока потребления, температуры, саморазряда, с токами утечки на печатной плате, с пассивацией/депассивацией, влажностью среды (как это ни странно) и другими факторами. Коэффициент использования батареи всегда меньше 100%.
Производители химических источников тока рекомендуют использовать примерно такие значения коэффициента:
Выбирая гальванический элемент, следует ориентироваться на значение тока, при котором указана его емкость, и выбрать тот элемент, в котором это значение будет ближе к предполагаемому режиму работы устройства с учетом других параметров.
Из таблицы 1 видно, что наиболее выгодным в экономическом и техническом плане является тионил-хлоридный элемент. Интересно посмотреть, для любых ли применений это так? Рассмотрим на простом примере. Пусть нам требуется гальванический элемент для питания CMOS-памяти в устройстве. Ток потребления 5 мкА, напряжение питания 1,8…5,5 В, срок службы 10 лет (90 тыс. часов). Примем ток утечки на плате равным 0,2 мкА.
Выберем вначале тионил-хлоридный элемент. Чтобы элемент не запассивировался в устройстве, его необходимо постоянно нагрузить так, чтобы общий ток был более 10 мкА. Примем с небольшим запасом ток равным 12 мкА. Тогда за требуемый срок службы элемент должен отдать емкость 90000 ч × 12 мкА = 1,08 А ч. Принимая во внимание ток утечки (0,2 мкА) и саморазряд (1% в год), получим, что требуемая емкость составит 1,21 А ч. Учитывая коэффициент использования батареи (60%), нам следует выбрать элемент с емкостью не менее 2,01 А ч. Такую емкость имеет элемент ER14505 (2,4 А ч) стоимостью примерно 1,77$ (при определенном объеме закупки).
Проведя аналогичный расчет для литий-диоксидмарганцевого элемента, получим, что нужно выбрать элемент с емкостью не менее 0,88 А ч. Здесь мы уже не учитываем дополнительный депассивирующий ток. Принимая тот же самый коэффициент использования батареи, имеем, что можно выбрать элемент
Приведенный пример показывает, что в данном случае выгоднее использовать элемент на основе литий-диоксидмарганцевой электрохимической системы, хотя по предварительным данным (таблица 1) он был менее выгодным. Это получилось потому, что при использовании литий-тионилхлоридного элемента мы были вынуждены заложить дополнительные потери на то, чтобы не допустить пассивации элемента. Эти потери (ток 7 мкА) по сути даже больше, чем ток питания памяти (5 мкА). Отсюда можно сделать вывод, что тионил-хлоридные элементы выгоднее применять тогда, когда полезная потребляемая энергия больше, чем дополнительные потери на недопущение пассивации.
На рынке ЛХИТ имеется большой спектр производителей, широко известных и не очень. Как правило, параметры, указанные в спецификациях этих производителей, очень похожи друг на друга, если рассматриваются элементы одного и того же форм-фактора и типа. Однако стоимость элементов различных производителей может отличаться в несколько раз. По опыту применения этих элементов можно сказать, что если они большую часть времени эксплуатируются в нормальных условиях в режиме, не сильно отличающимся от номинального, то и поведение их будет схожим. В этом случае можно выбрать менее дорогой элемент, например, производства компании EEMB. Эта компания присутствует на рынке ЛХИТ более 20 лет, из них 15 лет – на российском рынке, причем – с положительными отзывами. Однако если устройство должно работать в режимах, близких к граничным по электрическим параметрам и по условиям эксплуатации, если предполагается работа устройства в течение длительного времени (более 10-12 лет), есть повышенные требования к надежности и безопасности устройства, то следует выбирать продукцию таких компаний, как SAFT. Эта компания работает в области ЛХИТ уже более 50 лет и является общепризнанным мировым эталоном.
Химические источники тока (ХИТ) прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Практически каждый из нас имел дело с гальваническими элементами, но не каждому эта встреча могла оставить приятные воспоминания. Случалось, что батарейки почему-то работали меньше, чем ожидалось, у них быстро снижалось напряжение, или нагрузка просто отказывалась нормально функционировать с некоторыми типами элементов. В этом случае, как правило, мы считали виноватым производителя элементов и редко допускали, что могла быть и доля нашей собственной вины. Может быть, в данном случае элемент повел себя так, как и должен был? Ведь различные нагрузки нуждаются и в различных источниках тока. Например, фотоаппарат со вспышкой требует кратковременного, но достаточно большого тока, а цифровому аудиоплееру, наоборот, требуется длительный ток небольшой величины.
Если в бытовом применении потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источников тока — для него они просто батарейки и аккумуляторы, то для применения в промышленном оборудовании необходимо обладать полной информацией о существующих источниках и их различиях между собой. Это требуется для того, чтобы избежать возможных ошибок, связанных с неправильным применением источников тока в том или ином приложении.
Химический источник тока — это устройство, непосредственно преобразующее энергию химической реакции, протекающей между анодом и катодом, в электрическую энергию. Все химические источники по способности к повторному использованию подразделятся на две большие группы: первичные источники тока и вторичные источники тока. Первичные источники тока (элементы) обеспечивают только разряд и не могут заряжаться — они используются однократно. Вторичные источники тока (аккумуляторы) могут заряжаться и использоваться многократно в циклическом режиме «заряд-разряд».
В мире производится несколько основных типов химических источников тока (солевые, щелочные, литиевые и др.) и достаточно большое количество их разновидностей, различающихся типом электрохимической системы, электрической емкостью, допустимыми токами разряда и саморазряда, а также — другими параметрами. Некоторые параметры основных типов первичных источников тока приведены в таблице 1 (ориентировочная электрическая емкость указана при непрерывном разряде тока 10 мА).
Таблица 1. Параметры первичных ХИТ
| Типы ХИТ | Рабочее напряжение, В |
Электрическая емкость, мАч |
Диапазон рабочей температуры, °С |
Саморазряд, % в год |
|---|---|---|---|---|
| Солевые (тип корпуса АА) | 1,5 | 1000…1100 | -20…60 | >10 |
| Щелочные (тип корпуса АА) | 1,5 | 2400…2500 | -30…60 | 5…8 |
| Литий-тионилхлоридные (тип корпуса АА) | 3,3…3,6 | 2000…2100 | -55…85 (150) | <1 |
| Литий-диоксидмарганцевые (тип корпуса АА) | 3 | 1500…1600 | -20 (-40)…70 (85) | 2…2,5 |
| Литий-диоксидсерные (тип корпуса АА) | 2,6…2,9 | 800…900 | -55…70 | 1…2 |
До недавнего времени солевые источники тока, имеющие самую низкую стоимость, являлись наиболее распространенными, но, в силу многих присущих им недостатков, в настоящее время неуклонно вытесняются щелочными (Alkaline) и литиевыми.
Определенное сочетание основных параметров определяет то или иное назначение источников тока. Для некоторых задач, где основным фактором выступает первоначальная низкая стоимость электропитания, можно использовать недорогие щелочные, или даже солевые источники тока. Однако для применений, где требуются источники повышенной энергии, обладающие низким током саморазряда и/или длительным сроком службы, следует выбирать другой тип. Наиболее перспективным типом, с учетом указанных параметров, в настоящее время являются литиевые источники.
Литиевые источники тока производятся в различных форм-факторах («таблетка», цилиндрические, призматические (рисунок 1)) в виде элементов и аккумуляторов, которые, в свою очередь, различаются типом электрохимической системы и некоторыми основными параметрами:
Первичные источники тока
(элементы)
Вторичные источники тока
(аккумуляторы)
Рис. 1.
Общим для всех этих источников является то, что анод у них выполнен из металлического лития. По своим химическим свойствам металлический литий является одним из самых активных элементов и, к тому же, он обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам. Используя этот материал в качестве анода, удалось достичь того, что литиевые элементы имеют наибольшее номинальное напряжение при минимальных габаритах и характеризуются самым высоким значением удельной плотности энергии по сравнению с источниками других типов. Общим является также и то, что, обладая самой большой удельной плотностью энергии, элементы этого типа в основном предназначены для работы с нагрузками, требующими небольшого или среднего разрядного тока. Возможно, что по этой причине, а также — из-за стоимости, они пока не смогли полностью вытеснить с рынка щелочные элементы, допускающие повышенные токи разряда. Но развитие литиевых элементов продолжается и производители этого вида продукции, например, такие известные компании, как EEMB, EVE Energy, выпускают элементы с большими разрядными токами от сотен миллиампер до нескольких ампер.
В группе литиевых элементов наиболее отлажено производство литий-диоксидмарганцевых (Li/MnO 2) и литий-диоксидсерных (Li/SO 2) элементов, поэтому они являются самыми массовыми и доступными по стоимости. Среди этой продукции имеются изделия, допускающие повышенные токи разряда. Это элементы, выполненные по так называемой спиральной технологии. При этой технологии анод изготавливается в виде спирали, чем достигается максимальная площадь поверхности взаимодействия между анодом и катодом и изделие способно на повышенную отдачу тока. Литий-диоксидмарганцевые элементы характеризуются малым током саморазряда, высокой надежностью и сроком хранения более 10 лет. Так называемые элементы «таблеточного» типа в основном изготавливаются именно этих двух электрохимических систем.
Некоторые наиболее востребованные литий-диоксидмарганцевые элементы приведены в таблице 2.
Таблица 2. Литий-диоксидмарганцевые элементы
| Наименование | Тип корпуса |
Рабочее напряжение, В | Ном. емкость, мАч | Ток разряда, мА |
Ток разряда макс., мА |
Размеры, мм | Темпе-ратурный диапазон, °С | Произ-водитель | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| пост. | имп. | диаметр | высота | |||||||
| Цилиндрические с повышенным током разряда | ||||||||||
| CR14250SC | 1/2АА | 3,0 | 650 | 20 | 800 | 1500 | 14,0 | 25,0 | -40…60 | EEMB |
| CR14250 | 3,0 | 650 | 10 | 500 | 1500 | 14,5 | 25,0 | -40…85 | EVE | |
| CR14505SC | АА | 3,0 | 1500 | 20 | 2000 | 2500 | 14,5 | 50,5 | -40…60 | EEMB |
| CR1405 | 3,0 | 1600 | 10 | 1500 | 3000 | 14,5 | 50,5 | -40…85 | EVE | |
| CR17505SL | А | 3,0 | 2500 | 10 | 1500 | 3500 | 17,0 | 50,5 | -40…85 | EEMB |
| CR17505 | 3,0 | 2400 | 10 | 1500 | 3000 | 17,0 | 50,5 | -40…85 | EVE | |
| CR26500SL | С | 3,0 | 5000 | 10 | 2000 | 3000 | 26,0 | 50,0 | -40…85 | EEMB |
| CR26500 | 3,0 | 5000 | 10 | 2000 | 3000 | 26,0 | 50,0 | -40…85 | EVE | |
| CR34615SL | D | 3,0 | 10000 | 10 | 2000 | 3000 | 34,0 | 61,5 | -40…85 | EEMB |
| CR34615 | 3,0 | 10000 | 10 | 2000 | 3000 | 34,0 | 61,5 | -40…85 | EVE | |
| Таблеточного типа | ||||||||||
| CR1620 | 3,0 | 70 | 0,2 | 2 | 10 | 16 | 2,0 | -20…70 | EEMB | |
| CR1620 | 3,0 | 70 | 0,1 | 3 | 8 | 16 | 2,0 | -20…70 | EVE | |
| CR2025 | 3,0 | 150 | 0,4 | 3 | 15 | 20 | 2,5 | -20…70 | EEMB | |
| CR2025 | 3,0 | 160 | 0,2 | 3 | 15 | 20 | 2,5 | -20…70 | EVE | |
| CR2032 | 3,0 | 210 | 0,4 | 3 | 15 | 20 | 3,2 | -20…70 | EEMB | |
| CR2032 | 3,0 | 225 | 0,2 | 3 | 15 | 20 | 3,2 | -20…70 | EVE | |
| Цилиндрические повышенной емкости | ||||||||||
| CR14505BL | AA | 3,0 | 1800 | 0,5 | 10 | 100 | 14,5 | 50,5 | -40…85 | EEMB |
| CR17335BL | 2/3A | 3,0 | 1800 | 1,0 | 10 | 100 | 17,0 | 33,5 | -40…85 | EEMB |
Здесь и далее по тексту номенклатура, указанная в таблицах, приведена в ограниченном объеме. Для более полной информации по всей выпускаемой продукции необходимо обращаться непосредственно на сайт производителя или в КОМПЭЛ.
Элементы с электрохимической системой «литий-диоксид серы» обладают достаточно высокой удельной мощностью и работоспособны в диапазоне температур 55…70°С; разрядное напряжение составляет 2,6…2,9 В (в зависимости от плотности тока). Напряжение имеет очень хорошую стабильность при разряде по сравнению с литий-диоксид марганцевым элементом до тех пор, пока элемент не разрядится полностью. Затем напряжение резко уменьшается (рисунок 2).
Рис. 2.
К недостаткам этого вида элементов можно отнести повышенное внутреннее давление и опасность сильного нагрева при коротком замыкании. Для предотвращения нежелательных последствий, которые могут возникнуть в этом случае, в корпусе элемента устанавливается специальный предохранитель, сбрасывающий при нагреве лишнее давление.
Несколько типов литиевых элементов системы «литий-диоксид серы» рассмотрены в таблице 3.
Таблица 3. Литий-диоксидсерные элементы
| Наименование | Тип корпуса |
Рабочее напряжение, В | Номинальная емкость, мАч | Ток разряда, мА |
Ток разряда макс., мА |
Размеры, мм | Температурный диапазон, °С | Производитель | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| пост. | имп. | диаметр | высота | |||||||
| LSS14505 | АА | 2,9 | 1100 | 3 | 100 | 200 | 14,5 | 50,5 | -54…71 | EEMB |
| LSS26500 | C | 2,9 | 3500 | 30 | 1000 | 2000 | 26,5 | 50 | -54…71 | EEMB |
| LSS34615 | D | 2,9 | 8000 | 50 | 2000 | 5000 | 34 | 61,5 | -54…71 | EEMB |
Все литиевые элементы по отношению к другим типам элементов обладают рядом очень важных преимуществ (таблица 1). Основное из них — упоминавшаяся ранее высокая удельная плотность энергии. Удельная плотность энергии — это отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема (Вт.ч/кг или Вт.ч/дм 3). Источники тока с большей удельной плотностью энергии при равных габаритных размерах с источниками других типов позволяют обеспечить питанием нагрузку в течение более продолжительного времени. Как видно из таблицы 1 и рисунка 2, самым высоким значением удельной плотности энергии обладают литий-тионилхлоридные элементы (Li/SOCl 2). Кроме того, элементы этого типа имеют широкий рабочий температурный диапазон -55…85°С, что допускает их эксплуатацию в жестких условиях, и обладают очень хорошей стабильностью напряжения при разряде (рисунок 2). Отдельно нужно выделить наличие элементов с расширенным рабочим температурным диапазоном в области верхнего значения -20…125/150°С, а также — элементов, допускающих повышенные токи разряда (таблица 4).
Таблица 4. Литий-тионилхлоридные элементы
| Наименование | Тип корпуса |
Рабочее напряжение, В | Номинальная емкость, мАч | Ток разряда, мА |
Ток разряда макс., мА |
Размеры, мм | Температурный диапазон, °С | Производитель | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| пост. | имп. | диаметр | высота | |||||||
| Повышенной емкости цилиндрические | ||||||||||
| ER10450 | AAA | 3,6 | 700 | 1 | 5 | 30 | 10,2 | 46,2 | -55…85 | EEMB |
| ER14250 | 1/2АА | 3,6 | 1200 | 0,5 | 40 | 80 | 14,5 | 25,2 | -55…85 | EEMB |
| ER14250 | 3,6 | 1200 | 0,5 | 15 | 50 | 14,5 | 25,4 | -55°…85 | EVE | |
| ER14505 | АA | 3,6 | 2400 | 2 | 100 | 200 | 14,5 | 50,5 | -55…85 | EEMB |
| ER14505 | 3,6 | 2700 | 1 | 40 | 150 | 14,5 | 50,5 | -55…85 | EVE | |
| ER26500 | С | 3,6 | 9000 | 2 | 230 | 400 | 26,0 | 50,0 | -55…85 | EEMB |
| ER26500 | 3,6 | 8500 | 4 | 150 | 300 | 26,0 | 50,0 | -55…85 | EVE | |
| ER341245 | DD | 3,6 | 36000 | 2 | 450 | 1000 | 34,0 | 124,5 | -55…85 | EEMB |
| ER341245 | 3,6 | 35000 | 10 | 420 | 500 | 33,1 | 124,5 | -55…85 | EVE | |
| С повышенным током разряда цилиндрические | ||||||||||
| ER14505M | AA | 3,6 | 1800 | 10 | 500 | 1000 | 14,5 | 50,5 | -55…85 | EEMB |
| ER14505M | 3,6 | 2000 | 4 | 400 | 1000 | 14,7 | 50,7 | -40…85 | EVE | |
| ER26500M | C | 3,6 | 6500 | 10 | 1000 | 2000 | 26,2 | 50 | -55…85 | EEMB |
| ER26500M | 3,6 | 6000 | 10 | 1000 | 2000 | 26,2 | 50 | -40…85 | EVE | |
| ER34615M | D | 3,6 | 14000 | 10 | 2000 | 3000 | 34 | 60,5 | -55…85 | EEMB |
| ER34615M | 3,6 | 13000 | 15 | 2000 | 4000 | 33,1 | 61,5 | -40…85 | EVE | |
| С расширенным температурным диапазоном цилиндрические | ||||||||||
| ER14505S | AA | 3,6 | 1600 | 100 | 100 | — | 14,5 | 50,5 | -20…125 | EEMB |
| ER14505S | 3,6 | 1600 | нд | нд | — | 14,7 | 50,5 | -40…150 | EVE | |
| ER26500S | C | 3,6 | 4800 | 35 | 100 | — | 26,2 | 50 | -20…150 | EEMB |
| ER26500S | 3,6 | 6000 | нд | нд | — | 26,9 | 50 | -40…150 | EVE | |
| ER34615S | D | 3,6 | 10500 | 35 | 200 | — | 34 | 60,5 | -20…150 | EEMB |
| ER34615S | 3.6 | 13000 | нд | нд | — | 33,9 | 61,5 | -40…150 | EVE | |
Следующим важным преимуществом группы литиевых элементов является сверхмалый ток саморазряда (потеря 1…2,5% емкости в год). Благодаря столь малой потере емкости рассматриваемые типы элементов могут храниться в обычных условиях больше 10 лет, при этом емкость снизится всего на 10%. Самым малым током саморазряда, как видно из таблицы 1, обладают литий-тионилхлоридные элементы.
Долгий срок хранения и низкий ток саморазряда литий-тионилхлоридных элементов — это, конечно, неоспоримый плюс. Такое свойство обеспечивается тонкой изолирующей пленкой хлорида лития, которая возникает на поверхности литиевого электрода. Пленка образуется из-за химической реакции, возникающей еще во время сборки элемента. Образовавшаяся пленка прекращает химическую реакцию и резко уменьшает ток саморазряда, в результате этого имеем элемент с длительным сроком хранения практически без ухудшения параметров. Но есть и отрицательная сторона этого процесса. Если к элементу подключить нагрузку, потребляющую достаточно большой ток, то на батарее (нагрузке) в начальный момент времени окажется пониженное напряжение около 2,3…2,7 В, хотя на холостом ходу напряжение будет нормальным 3,3…3,6 В. Это происходит из-за того, что образовавшаяся изолирующая пленка не может разрушиться мгновенно и препятствует протеканию тока (обладает достаточно высоким сопротивлением). В процессе хранения элемента толщина изолирующей пленки увеличивается. Этот процесс называется пассивацией литиевого элемента. Пассивации подвержены литиевые элементы всех производителей без исключения.
Степень пассивации элемента зависит от времени и условий его хранения, а также — от режима эксплуатации. Чем больше период хранения и выше температура, тем толще пленка. Значительные негативные проявления эффекта пассивации начинаются после 5…6 месяцев хранения в нормальных условиях, либо после длительного использования элемента в микротоковом режиме (единицы микроампер и менее).
В реальной жизни часто встречаются устройства, работающие большую часть времени в ждущем режиме (например, какие-либо датчики). Приборы длительное время потребляют ток в несколько микроампер или десятков микроампер, а по свершению некоторого события должны включиться в режим среднего или большого энергопотребления. В этом случае, если в приборе установлена батарея после длительного хранения, или режим микропотребления длился очень долго, то переход в режим повышенного энергопотребления может и не произойти. Элемент выдаст пониженное напряжение.
Пониженное напряжение в меньшей степени влияет на устройства с малым потреблением тока. В момент подключения такой нагрузки напряжение на элементе снизится незначительно, и устройство будет работать, однако процесс пассивации продолжится, и в какой-то момент времени устройство может отключиться, или его работа станет неустойчивой. Для таких устройств не следует использовать энергоемкие литиевые источники тока.
При подключении нагрузки, потребляющей несколько миллиампер (средняя нагрузка), произойдет понижение напряжения и затем, через некоторое время, оно восстановится до нормального значения. Это объясняется тем, что при потреблении указанного тока имеющаяся пленка с течением времени разрушится, а постоянно протекающий или протекающий с достаточно короткими промежутками времени ток будет препятствовать ее образованию.
Пониженное напряжение на элементе, потребляющем большой ток (десятки миллиампер), в момент подключения нагрузки может нарушить его работу, или же он просто не включится. Замена элемента на новый (только что купленный и не бывший в эксплуатации) ситуацию не исправит, а проверка нагрузки покажет, что с ее схемой все в порядке. Получается следующая ситуация: установили новый элемент питания — и прибор перестал работать!
Подобный случай встречался в практике автора данной статьи. При работе на одном из предприятий пришлось подготавливать некоторое изделие к серийному выпуску. Изделие состояло из нескольких отдельных устройств. Одно из устройств имело особенность — его рабочий режим был импульсным, с достаточно большим током потребления (пульт дистанционного управления). В качестве источника питания в изделие разработчиком были заложены литиевые элементы. В то время подобные элементы были не особенно распространены, а их «особенности» не были широко известны, и отдел закупок приобрел партию похожих по основным параметрам элементов (по напряжению и емкости). Эти элементы были поставлены в устройство и оказалось, что у всех устройств, уже проверенных и настроенных, резко сократилась дальность связи. Посчитали, что элементы долго хранились и потеряли часть емкости (они на самом деле достаточно долго хранились). Была закуплена еще одна партия элементов (более «свежих») — кардинально ситуация не улучшилась. Когда стали разбираться — выяснилось, что данные элементы обладают эффектом пассивации. В дальнейшем проблему смогли устранить некоторой доработкой схемы (подключили несколько электролитических конденсаторов параллельно элементу питания). Первые включения устройства стали происходить за счет части энергии, накопленной в конденсаторах, и одновременно с этим импульсы тока депассивировали элемент.
Литий-тионилхлоридные элементы перед использованием необходимо депассивировать, т. е. разрушить изолирующую пленку хлорида лития импульсом тока. На рисунке 3 показан график, поясняющий депассивацию литий-тионилхлоридных первичных источников тока.
Рис. 3.
На графике имеется четыре области:
Для активации ни в коем случае нельзя делать короткое замыкание выводов элемента питания. Подобный метод приведет к выходу элемента из строя. Существуют рекомендованные производителем максимально допустимые значения тока и времени депассивации. В таблице 5 указаны режимы депассивации для некоторых элементов компании EEMB.
Таблица 5. Параметры для депассивации литий-тионилхлоридных элементов EEMB
Максимальное значение тока депассивации для литий-тионилхлоридных элементов можно определить по правилу:
макс. импульсный ток > макс. ток депассивации < 2 х макс. рабочий ток
При длительном хранении литий-тионилхлоридных элементов можно предупредить образование пленки хлорида лития с помощью регулярной кратковременной нагрузки элемента током не менее 1,25% от номинальной емкости в течение трех секунд один раз в сутки.
Следует отметить, что процессу пассивации подвержены практически все литиевые источники тока, но у литий-тионилхлоридных он выражен наиболее остро, а эти источники, ввиду их непревзойденной удельной плотности энергии, очень востребованы на рынке.
Батареи и аккумуляторы, например, компании EEMB, выпускаются с различными выводами для разных вариантов монтажа на печатную плату. Каждая версия выводов имеет свои буквенные обозначения — дополнительные символы в конце наименования. Некоторые, наиболее популярные из них, приведены на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показаны варианты выводов элементов питания «таблеточного» типа, а на рисунке 5 — цилиндрического типа. Если в наименовании отсутствует кодировка выводов — это означает, что элементы питания предназначены для установки в обычные держатели батарей (стандартный элемент).
Рис. 4.
Рис. 5.
Говоря о достоинствах литиевых источниках тока, следует сказать и об их недостатках. К недостаткам литиевых элементов следует отнести пока еще относительно высокую стоимость по сравнению с другими типами элементов, обусловленную высокой ценой лития и особыми требованиями к производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей), а также пассивацию. Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при вскрытии взрывоопасны. Однако, это не должно препятствовать использованию данного вида источников тока. Необходимо только помнить об особенностях их применения.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:
GS05E-USB — источник питания от MEAN WELL для USB-устройств
В настоящее время трудно представить нашу повседневную жизнь без носимых устройств с USB-портом: мобильные телефоны, электронные книги, планшетники и др. Подобные устройства питаются от химического источника тока, как правило, аккумулятора и, соответственно, требуют периодической подзарядки. Если рядом всегда имеется какое-либо устройство, подключаемое к сети 220 В/50 Гц с USB портом (ноутбук, стационарный компьютер или другое устройство), то проблемы с зарядкой носимого устройства не возникает. Но зачем специально подключать к сети достаточно мощное устройство, прилично расходующее электроэнергию для собственного питания, если можно обойтись специальным экономичным источником питания?
С другой стороны, часто бывает ситуация когда носимое устройство разрядилось в самый неподходящий момент, а другое USB устройство, подключаемое к сети, от которого можно бы было подзарядить «севший» аккумулятор, отсутствует. Для исключения подобных нежелательных ситуаций компания MEAN WELL разработала специальный источник питания GS05E-USB для устройств с USB-портом или устройств питающихся от USB-порта. Данный источник на выходе обеспечивает ток 1 А при напряжении 5 В; соответствует классу II по защите от поражения электрическим током (двойная изоляция) и характеризуется крайне малым энергопотреблением без нагрузки (менее 0,3 Вт).
Устройство имеет компактный размер и небольшую массу, что позволяет его носить с собой и всегда иметь возможность (при наличии 220 В/50 Гц) подключить разряженное USB-устройство, чтобы им воспользоваться.
Основные параметры:
