Имеют высокие показатели емкости и могут служить гораздо дольше других АКБ, но у них тоже имеются свои специфические особенности, которые стоит учитывать как при эксплуатации, так и в процессе зарядки.

Основные показатели и отличия от щелочных АКБ

В общих чертах, главные характеристики Li-Ion элементов питания - это постоянство показателей напряжения, высокий уровень емкости и большой энергетический ресурс, обусловленный спецификой их химического состава. Все литиевые батарейки состоят из катода и анода, их друг от друга отделяют диафрагма и сепаратор. Диафрагма имеет специальную органическую пропитку (ниже представлено фото).

Кроме того, емкость Li Ion батареек не имеет зависимости от нагрузочного тока, и именно это обеспечивает их максимально долгий срок службы - гораздо дольше, чем у щелочных, имеющих те же самые характеристики емкости. Элементы питания отличаются длительными сроками хранения и эксплуатации (в лучшем случае, до 12 лет), устойчивостью к высокой и низкой температуре и возможностью их изготовления в разных формах.

Более дешевыми и не менее популярными среди потребителей являются «предшественники» Li Ion АКБ - обычные щелочные батарейки, получившие название (на основании маркировки импортных моделей). Они и по сей день применяются в игрушках для детей, некоторых моделях плееров, бытовых фонариках. Однако они хуже справляются с более высокими нагрузками, и в фотоаппарате или ноутбуке алкалиновые элементы уже будут неэффективными по причине того, что разражаться они будут очень быстро.

Именно литиевые батарейки способны работать при постоянных и высоких нагрузках: любимые человечеством предметы техники на современном этапе используются почти в непрерывном режиме.

Существует множество примеров того, как литий-ионные аккумуляторы хранились долгое время без интенсивного использования, и качество их работы для пользователей не становилось хуже. Например, старый мобильный телефон с Li Ion АКБ, пролежавший в ящике пару лет, вполне может еще поработать, если батарейку хорошо зарядить. Безусловно, со временем показатели емкости у этих элементов заметно уменьшаются. Но поскольку они имеют очень мощный энергетический ресурс, немудрено, что их характеристики уже давно обогнали популярные щелочные аналоги.

Виды литиевых АКБ

Кроме основного элемента (лития), в этих аккумуляторах могут присутствовать и другие химические вещества.

«Начинка» литий-ионного элемента может содержать:

• диоксид марганца;
• оксид меди;
• серный диоксид;
• йод;
• дисульфид железа;
• полифторуглеродные соединения;
• тионилхлорид.

Для широкого использования эти электрохимические различия не играют решающей роли. Важно то, что любое из этих соединений способно обеспечить оптимальную работу электрохимического источника питания.

Также литий-ионные АКБ могут иметь разный внешний вид, в зависимости от исполнения и целей их применения. Например, аккумуляторы 18650 имеют привычную корпусную форму в виде металлических «банок». Они широко применяются в шуруповертах и ноутбуках. Есть элементы прямоугольной формы, которые могут быть совсем плоскими (они устанавливаются в современные виды смартфонов и айфонов), а есть и гель-полимерные аккумуляторы, выполненные в форме блестящих пакетов с повышенным уровнем герметизации (их можно увидеть в планшетах и айпадах).

Номинальное напряжение любой литий-ионной батарейки, независимо от ее химического состава, составляет 3,7 вольт.

Немного о литии

Сам литий представляет собой металл, имеющий очень высокую мягкость и пластичность. Именно это в конечном итоге позволило изготавливать тонкие и легкие элементы, столь удобные в эксплуатации и высокие по мощности.

Производить АКБ на основе лития начали еще в 70-х годах ХХ века. Известно, что первые опыты такого производства часто были сопряжены с опасностью - многие батарейки взрывались, часто по причине перегрева или иных казусов, связанных с неправильной эксплуатацией. Со временем специалисты научились изготавливать батарейки, имеющие улучшенные характеристики. Однако обращаться с такими аккумуляторами и по сей день следует очень осторожно.

В сети существует большое количество фото и видео, на которых любители острых ощущений запечатлевали моменты взрыва сотовых телефонов или планшетов. Повторять подобные опыты, конечно же, не рекомендуется.

«Безопасный литий» в облике надежных и емких аккумуляторов получили путем комбинирования лития с твердоорганическими электролитами. К тому же, идея полного отказа от электролита на водной основе позволила получить наиболее емкие и мощные модели. Например, две литиевые батарейки на 3V успешно заменяют четыре или пять алкалиновых, что делает значительно проще эксплуатацию многих приборов в быту. Конечно, высокая химическая активность лития по-прежнему остается потенциальной «гремучей смесью». Особенно в случае беспечного отношения к таким АКБ. Но, в целом, элементы вполне безопасны и по-прежнему очень надежны.

Роль защитной платы

Большую роль в предотвращении перегрева и воспламенения батарейки играет встроенная внутрь каждого элемента защитная плата. Она предотвращает короткие замыкания, переразряд и перезаряд, но главное - возможный перегрев. Безусловно, все литиевые элементы от надежных и проверенных производителей оснащены такой платой, на которой находятся клеммы элемента.

На фото: защитная плата литий-ионного аккумулятора.

Любая плата имеет шестиуровневый контроллер заряда-разряда, который всегда отключит АКБ от нагрузки в том случае, если она полностью разрядилась или, наоборот, если уровень ее заряда достигает показателя в 4,25 вольт.

Самые лучшие АКБ

Иногда спрашивают о том, какие Li Ion АКБ являются самыми современными. В последнее время широко рекламируются элементы Ultimate lithium от Energizer именно как лучшие литиевые батарейки последнего поколения. Они были разработаны для бытовых приборов с высоким уровнем потребления энергии (мощные фонари, фотокамеры, большие говорящие игрушки для детей). Рекламщики утверждают, что Ultimate lithium - это даже не аккумуляторы, а «элементы, которые никогда не нужно будет перезаряжать» - вследствие того, что их мощности хватает больше, чем на 12 лет.

• способность выдерживать большие температурные перепады;
• работают при самых низких температурах - -40-60°С;
• самые легкие среди других литиевых аналогов;
• высокая емкость - 3000 А;
• утверждается, что срок их службы может достигать 15 лет.

На фото - литиевый аккумулятор Ultimate lithium.

Правильная зарядка

Самый верный способ, который максимально продлит и улучшит их работу, - это двухэтапная зарядка литиевых батареек. Только таким образом АКБ заряжается полноценно, и ее емкость используется в полной мере, без снижения потенциала в течение долгого периода времени.

Как заряжать литиевые аккумуляторы на первом этапе? Только постоянным током, который не должен превышать 0,2-0,5 С (где С - это емкость АКБ). В крайнем случае, можно немного ускорить процесс, увеличив ток максимум до 1,0 С. К примеру, если емкость АКБ составляет 3000 мАч, а начальный ток от 600 до 1500 миллиампер, ускоренный ток должен находиться в пределах 1,5-3 ампер. Конечно, в данном случае должно применяться ЗУ с опцией настройки напряжения. Выражаясь простым языком, на начальном этапе зарядки устройство служит в качестве классического стабилизатора тока.

Важно помнить о том, что все литиевые АКБ оснащены защитной платой. Следовательно, показатель U «на холостом ходу» не должен превышать уровня 7 вольт. Высокое напряжение может погубить плату.

На протяжении процесса зарядки нужно осуществлять постоянный контроль напряжения. При его подъеме до 4,2 вольт следует знать о том, что батарейки восполнили свою емкость примерно на 80 процентов. Теперь нужно перейти к другому этапу зарядки.

Второй (и последний) шаг зарядки должен проводиться с помощью постоянного U, но снижающимся показателем уровня тока. Зарядник поддерживает U в пределах 4,14-4,24 вольт и регулирует ток, который постепенно становится меньше. При снижении показателя тока до 0,05-0,01 С можно считать зарядку завершенной. Остается добавить, что недостающий процент своей емкости, до 100%, аккумуляторы «добирают» в процессе второго этапа.

Если хорошего качества, в нем непременно должно присутствовать отключение от источника питания после завершения процесса зарядки. Для литиевых элементов недопустим перезаряд, потому что они могут из-за него потерять больший процент своей емкости, восполнить которую будет уже невозможно. Следует вовремя снять аккумуляторы с зарядки и не забыть о них.

Техника безопасности

Как уже было сказано, нельзя допускать перегревания литий-ионных аккумуляторов , например, оставлять гаджеты с ними на солнце или в местах, где возможно воспламенение. Не следует самостоятельно вскрывать такой элемент питания и пытаться их восстанавливать - техника восстановления элементов к ним не должна применяться. Также следует покупать аккумуляторы только у проверенных производителей , чтобы не приобрести «паленые» батарейки, в которых может отсутствовать защитная плата.

Правильная эксплуатация и зарядка обеспечат то, что батарейки будут служить исправно и не потеряют своей емкости в течение долгого времени.

Источники тока с более высокими энергетическими характеристиками были созданы при отказе от водных электролитов. Такими источниками тока стали литиевые элементы с органическим и твердым электролитом.

Основные характеристики литиевых элементов наиболее распространенных электрохимических систем представлены в табл.17.8.

К герметизации литиевых элементов предъявляются повышенные требования, т.к. должна быть исключена возможность не только вытекания электролита, но и попадания внутрь воздуха и паров воды. Из-за высокой реактивной способности лития взаимодействие его с воздухом или водой может привести к взрыву или пожару. Литиевые элементы выпускаются в различном исполнении: дисковые, цилиндрические, призматические, но как показывает анализ данных табл.17.8, они могут иметь различное рабочее напряжение: от 1,5 В до 3,6 В при одном типоразмере. Поэтому при замене литиевых элементов необходимо внимательно относиться к выбору нового элемента.

Рассмотрим основные электрохимические системы, используемые в литиевых гальванических элементах.

Источники тока на основе системы литий/диоксид марганца (Li / MnO 2 ).

Элемент Li/MnO 2 с твердым катодом из диоксида марганца появился одним из первых. В соответствии со стандартом МЭК в обозначении типа этого элемента содержатся буквы CR.

Реакция для этой системы записывается в виде:

Li +Mn +4 O 2 → Mn +3 O 2 (Li +)

т.е. диоксид марганца восстанавливается из четырехвалентного до трех валентного состояния с помощью лития, который внедряется в кристаллическую решетку конечного оксида. Электролитом служит перхлорат лития в смешанном органическом растворителе.

Напряжение разорванной цепи этого элемента составляет 3,5 В, рабочее напряжение – 3 В, напряжение разряда – 2 В. Диапазон рабочих температур – 20… +55 0 С. Срок хранения достигает 10 лет при саморазряде около 1 % в год. Типовые разрядные характеристики этого элемента приведены на рис.17.10.

Источники тока на основе системы литий/оксид меди (Li /С uO ).

Элементы Li/СuO имеют рабочее напряжение соизмеримое с напряжением щелочных марганцево-цинковых элементов (1,2…1,5 В), но обладают в 3 раза большей удельной емкостью. При разряде имеет место реакция:

2Li + СuO → 2Li 2 О + Сu

Напряжение разорванной цепи составляет 2…2,5 В, а рабочее напряжение 1,2…1,5 В, что зависит от тока разряда. Диапазон рабочих температур составляет от −10 до +70 0 С. Типичные разрядные характеристики этого элемента приведены на рис.17.11. Широкого применения не получили.

Источники тока на основе системы литий/иод (Li / I 2 ).

Такие элементы не содержат жидкого электролита, а поэтому не требуют использования специального сепаратора. Работа источника тока Li/I 2 основана на реакции:

Li + 1/2 I 2 → Li 2 I

При непосредственном контакте иодсодержащего катода и лития в результате прямой химической реакции образуется твердый иодид лития, который является электролитом и одновременно играет роль сепаратора, разделяющего два электроактивных материала. При работе элементов Li/I 2 не образуется газов, поэтому их объем не изменяется в течении всего периода работы, и они выдерживают значительные нарушения условий эксплуатации.

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 2,8 В. Рабочее напряжение – 2,2…2,4 В, причем по мере разряда, оно уменьшается линейно, что связано с изменением сопротивления слоя иодида лития. Когда весь запас иода исчерпается, напряжение резко падает. Диапазон работы составляет −10…+60 0 С. Срок хранения элементов достигает 10…15 лет при саморазряде около 10 %.

За счет высокой надежности такие элементы нашли применение в медицинском оборудовании, в частности в электрокардиостимуляторах.

Источники на основе системы литий/полифторуглерод (Li / CF X ).

Достоинством таких элементов является высокая удельная энергия и работоспособность при высоких температурах, поэтому их применяют в устройствах, нагревающихся в процессе работы. Токообразующая реакция имеет вид:

n Li + (CF X) n → n LiF x + nC

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 3,2…3,3 В, рабочее напряжение стабильно во время разряда, но существенно зависит от температуры, составляя 2,2 В при -40 0 С и 3,0 В при + 85 0 С. Диапазон рабочих температур составляет -40…+85 0 С. Срок хранения достигает 10 лет при саморазряде не более 20 %.

Типичные разрядные характеристики элементов этой системы приведены на рис.17.12.

Литий-фторуглеродные элементы серийно производятся более 30 лет и в настоящее время используются в основном в качестве питания портативной электронной аппаратуры, особенно такой, которая разогревается в процессе работы. При температурах ниже 0 0 С и высоких токах разряда они уступают более дешевым элементам системы Li/MnO 2 .

Источники на основе системы литий/диоксид серы (Li / SO 2 ).

В качестве катода этих элементов используется смесь сажи с графитом и связующим веществом, которая наносится на металлическую основу. Электролит элемента содержит диоксид серы (70…75 % по объему). Электрохимическая реакция имеет вид:

2Li + 2SO 4 → Li 2 S 2 О 4

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 3,0 В, рабочее напряжение 2,6…2,9 В, что зависит от тока разряда. Диапазон рабочих температур от -60 до +70 0 С. К концу разряда напряжение резко уменьшается. Типичные разрядные характеристики такого элемента приведены на рис.7.13.

Срок хранения составляет 10 лет при саморазряде 1…2 % в год при 20 0 С. Следует отметить, что после продолжительного хранения при повышенной температуре в этих элементах может иметь место провал начального напряжения ниже 2 В, что связано с анодной пассивацией лития.

К недостаткам элементов этой системы следует отнести высокое внутреннее давление и опасность сильного нагрева при коротких замыканиях. По этой причине в корпусе устанавливают специальный предохранительный клапан, который срабатывает при температуре корпуса 100 0 С. Еще одна проблема эксплуатации связана с возможностью глубокого разряда и изменения полярности элемента при работе его в составе батареи, что может привести к ее разрушению. Для предотвращения этого используют ограничение разряда тока при исчерпании емкости, а также электронные системы защиты, реагирующие на снижение рабочего напряжения.

Из-за повышенного давления элементы системыLi/SO 2 выпускаются в основном в цилиндрическом исполнении бобинной или рулонной конструкции (рис.17.14). В первом случае литиевый анод запрессовывается по периферии, а прессованный угольный катод располагается в центре элемента. При рулонной конструкции используется пакет разноименных электродов, разделенный сепаратором.

Источники тока на основе системы литий/тионилхлорид (Li / SOCI 2 ).

Элементы на основе этой системы обладают наилучшими удельными характеристиками (до 600 Втч/кг и 1000 Втч/дм 3) и получили широкое применение. Реакция, которая протекает при разряде, имеет вид:

4Li + 2SOCl 2 → 4LiCl + SО 2 + S

Так как большая часть сернистого газа растворяется в электролите, избыточное давление в элементе не возникает.

Напряжение разорванной цепи составляет 3,67 В, а рабочее напряжение – 3,3…3,5 В. Диапазон рабочих температур -60…+85 0 С, хотя некоторые имеют верхний предел +130 0 С. Типичные разрядные характеристики элемента приведены на рис.17.15. Срок хранения элементов составляет 10 лет при саморазряде 1,5…2 % в год при 20 0 С. При длительном хранении этих элементов может наблюдаться провал напряжения, которое затем медленно восстанавливается до рабочего.

Конструкция элементов системы Li/SOCI 2 аналогична конструкции элементов системы Li/SO 2 , то тионилхлорид значительно агрессивнее других электролитов, что потребовало дополнительных элементов защиты от взрывов и возгораний. Наиболее опасен перезаряд элементов большими токами, что может привести к переплюсованию их электродов. При проектировании батарей используется диодная защита, однако обратные токи диодов вызывают преждевременный разряд батареи.

№4 / 2016 / статья 6

Литиевые химические источники тока: некоторые особенности применения

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

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;»>

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.

Особенность поведения элемента после депассивации

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.

Емкость гальванического элемента

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:

• для сильноточных устройств (средний ток несколько десятков мА) – ресурс 3-6 месяцев, от батареи можно взять до 95%.
• для устройств со средним потреблением (единицы мА) – ресурс 2-3 года, от батареи можно взять до 85-90%
• для устройств с малым потреблением (менее 1 мА) – ресурс 3-5 лет, от батареи можно взять до 60-70%
• для устройств с микропотреблением (единицы и десятки мкА) – ресурс 5-10 лет, от батареи можно взять не более 50-60%.

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.

Пример выбора типа химии гальванического элемента

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.

Заключение

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.

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.

ТИПЫ БАТАРЕЕК С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЖЕЛЕЗОДИСУЛЬФИДНЫЕ

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”.

ДИОКСИД МАРГАНЦА

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.

ТИОНИЛХЛОРИД

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.

ДИОКСИД СЕРЫ

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.

ПОЛИМОНОФТОРУГЛЕРОД

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.

ДЕПАССИВАЦИЯ

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.

ПРАВИЛА ОБРАЩЕНИЯ И МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ

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.

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

Что из себя представляет литиевые батарейки

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.

Чем отличаются литиевые батарейки от солевых или щелочных

• Солевые относятся к самым слабым. Они подходят устройствам, не требующих большого заряда, долговременных нагрузок. Например, используются для пульта управления, таймера, калькулятора. Срок хранения солевых приборов составляет 1-3 года.
• Куда больший срок годности у щелочных - 3-5 лет. Их можно отнести к среднему запасу прочности. В народе их прозвали «алкалиновыми», их часто используют для детских игрушек, фонариков, плееров.
• Дольше всех работают и выдерживают нагрузки литиевые батарейки. Их используют для более мощных устройств – фотоаппаратов, приборов для измерения давления.

Все вышеперечисленные источники питания отличаются сроком службы, емкостью, поэтому подходят разным устройствам.

Разновидности и типоразмеры литиевых батарей

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:

• CR. Таблетки или монетки;
• CR2 и . Цилиндрические бочонки;
• CR-V9 (Lithium PP3). – Крона;
• FR03 (AAA). В народе называются ;
• FR6 (AA). .

Состоит литиевая батарейка из разных компонентов. Определить этот показатель можно просто на корпусе, где указан также ее размер, емкость, класс, напряжение.

Преимущества и недостатки литиевых батареек

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:

• Легкость изделия.
• Долгий срок хранения.
• Поскольку в составе отсутствует вода, то и батарея устойчива к температурным перепадам.
• Постоянное напряжение.
• При разных показателях разрядного тока обеспечиваются стабильные характеристики.
• Высокая энергоемкость и энергоплотность.
• Емкость не зависит от тока нагрузки, подходит для мощных устройств.
• Простота в уходе и применении.

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.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

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.

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.