№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.

Мир наполнен приборами, игрушками, которые мертвы, если отсутствует источник энергии – батарейка. Гальванический элемент, преобразующий химическую энергию в электрическую, знают все. Одноразовое устройство – батарейка, с возможностью цикличной зарядки – аккумуляторная батарейка. Литиевые источники энергии имеют высокую плотность заряда, работают дольше, выполняют те же задачи, что солевые, алкалиновые.

Здесь описываются гальванические элементы, работающие на необратимой реакции окисления. Отданный заряд не восстанавливается, батарейка называется одноразовой. Элемент состоит из анода, выполненного из металлического лития, катода из твердых MnO 2 , Fes 2 , Cuo, CF x , жидких SO 2 , SOCl 2 . Продолжается поиск других солей с высоким сродством к восстановлению. Окислителем выступает активный литий, отдающий электроны. Корпус аккумулятора герметичный, с выводами клемм и их маркировкой. Надпись «do not recharge»- повторно не заряжать, предупредит, что литиевая батарейка одноразовая.

Существует 2 типа батареек по конструкции:

• бобинные;
• спиральные.

Бобинные литиевые батарейки служат до 20 лет, применяются потребителями, не превышающими запрос в 150 мА. Срок службы элементов до 20 лет.

Спиральные конструкции имеют большую поверхность лития, импульсно дают до 4 А, при постоянном токе — 0,1-1,8 А. Но саморазряд этих устройств достигает 10 % в год от первоначальной емкости. Элементы с любым составом катода выпускают в двух типах. Литиевые батарейки могут быть круглыми, призматическими или в форме таблеток.

Крупными и признанными производителями литиевых батареек считают EVE, Minamoto, SAFT, Robiton, Varta, Tekcell. Небольшие производства есть в Китае.

Свойства литиевых батареек с разными анодными парами

В зависимости от химического состава катода в связке с металлическим литием, меняется емкость и напряжение на клеммах элемента, их саморазряд и способность работать в диапазоне температур.

1. Li/MnO 2 — батарейка литиевая маркируется как «CR». Электролитом является перхлорат лития. Номинальное напряжение 3 В, саморазряд 2,5 % за год, срок годности до 10 лет. Температура рабочей среды -20 +55 0 С. Форма – преобладает таблетка.
2. Li/CuO, по рабочему напряжению 1,2-1,5 В идентичны щелочным, но заряд она вмещает в 3 раза больше. Рабочий температурный интервал -10 +70. Срок службы 10 лет.
3. Li/SO 2 — одни из самых распространенных видов литиевых батареек. Катод представляет пластификатор с графитом и сажей. Электролитом служит диоксид жидкий с компонентами для электропроводности. Рабочее напряжение 2,6-2,9 В. В конструкции не смогли избежать повышения давления в корпусе и сильный разогрев при КЗ, пришлось ставить предохранитель давления. Литиевые батарейки хорошо работают на морозе до -60 0 и в жару +70 0 , сохраняют заряд до 10 лет.
4. Li/I 2 — тип батарейки без электролита. Химическая реакция 2Li+I 2 >2LiI происходит в твердом составе, диффузией. Полученная соль тоже твердая, выступает в роли сепаратора. Работает батарейка до 15 лет, надежны, используются в кардиостимуляторах.
5. Li/FeS 2 – лучшие литиевые батарейки, востребованы, несмотря на высокую цену. Такие элементы работают с устройствами большой мощности, имеют защиту по току, предохранитель, срабатывающий на 85-90 0 и клапан сброса давления. Чаще используются в форм-факторе АА.
6. Li/CF x – разновидность литиевых батареек, работающих при высокой температуре, до +85 0 . За 10 лет на саморазряд уходит 20 % емкости. Используются в дефибрилляторах, кардиостимуляторах и портативной электронике.
7. Li/SOCl 2 – самая энергоемкая литиевые батарейки. Напряжение без нагрузки больше, чем 3,6 В. При работе поддерживается 3,3- 3,5 В. В качестве электролита применен тионилхлорид, агрессивный компонент. Верхний предел работоспособности +(85-130) 0 С. Нижний – минус 60, но при сильно упавшей емкости элемента. Предусмотрена защита от взрыва в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления.

Размеры литиевых батареек

Чтобы правильно подобрать нужный источник энергии, необходимо знать его геометрические размеры и форму. Показатели стандартизированы, разберемся в типоразмерах литиевых одноразовых батареек. Используется классификация США.

Отдельные типы литиевых батареек можно посмотреть на фото.

Крона дюймовочка пальчиковая

При выборе литиевой батарейки важна маркировка, по ней можно определить тип элемента. Для литиевой батарейки на корпусе большими буквами будет напечатано CR, на щелочной LR, на солевой R.

Всегда ли литиевые батарейки предпочтительнее щелочных? Изделия отлично работают в любых условиях. Но всегда ли экономически выгодно покупать батарейку литиевую в 5 раз дороже, если на малом токе они превосходит алкалиновые в 1,5-2 раза? Какие лучше, решается в каждом случае, применительно к решаемым задачам.

Необходимо учесть, что запас энергии на всех типах литиевых батареек больше в несколько раз. Чтобы не перепутать устройства, производители делают Li АКБ с особыми выводами.

Литиевые батарейки ААА

Мы рассмотрим одноразовую батарейку с литиевым анодом типа ААА. Компактное устройство имеет пассивный слой на аноде, предупреждающий реакцию. Даже кратковременная подача тока разрушит слой и приведет в негодность батарейку. В отличие от солевых мизинчиковых батареек, литиевые разогреются настолько, что могут взорваться. Зарядка литиевых одноразовых батареек запрещена!

Если замкнуть плюс и минус у литиевой батарейки, она тоже может загореться. Поэтому, необходимо соблюдать следующие правила:

• провода к контактам не крепят паяльником;
• батарейку не носят в кармане, где случайно могут быть металлические мелкие предметы;
• перевозить элементы нужно в специальном чехле или футляре;
• не оставлять батарейку под прямыми лучами солнца.

Стоит ли покупать литиевую батарейку ААА, которая стоит дороже алкалиновой в 5 раз. Учитывая, что работает она в 7 раз дольше, и легче на 35 %, стоит.

Срок годности литиевых батареек

При правильном хранении, литиевые батарейки АА будут безотказно работать, если их подключить в течение 10 лет. Зачастую, тог саморазряда составляет 2 % в год при хранении в комнатных условиях, t = 20 0 С.

Дату выпуска и срок годности можно найти на корпусе в виде буквенно-цифрового кода. Зашифровано по разному, только в цифрах, 5 знаков означает число, месяц и год (40615), а код 9А14 следует читать 9 января 2014 года. Срок годности вынесен отдельно. Срок годности действителен, если батарейка находится в упаковке и ею никогда не пользовались.

Литиевые или алкалиновые батарейки, какие лучше

Алкалиновые и щелочные батарейки одно и то же. Воспользуемся тестированием специалистами Росконтроля, пальчиковых ААА батареек и сравним их с литиевыми. Так как идеальных элементов на случаи импульсной и постоянной умеренной и слабой нагрузки нет, предлагается определить, где предпочтительнее использовать щелочные, а где литиевые батарейки и какие лучше.

Результаты исследований показали, что для импульсных токовых нагрузок с высокой мощностью лучше купить литиевую батарейку – прослужит столько же, что 3 щелочных, но весит она намного меньше, чем аварийный запас из нескольких другого вида.

В пультах и часах, в детских игрушках оптимально использовать алкалиновые аккумуляторы, по стоимости выгоднее. Малые токи быстро истощают заряд литиевой батарейки, и проработает она почти столько же, что и щелочная.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» — перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Зарядное устройство для литиевых батареек

Не всяким устройством можно заряжать литиевые батарейки. Лучше купить специальное, которое само ведет 2 этапа зарядки, выводит на дисплей текущие показатели и во время отключит аккумулятор от питания. Как заряжать литиевую батарейку, если она полимерная? Различий нет, принцип действия у них один. Стоит такой зарядник недорого, около 20$, хорошо, если функция измерения емкости в наличии.

Любой зарядник должен преобразовать, стабилизировать сетевое напряжение, воздавая на выходе 5 В. Сила тока регулируемая 0,5 -1,0* С. С – емкость батареи в А-ч, МА-ч, в цифровом выражении. Зарядка предусмотрена по ускоренной схеме, до 80 % от емкости и по полной схеме, в 2 этапа, примерно около 3 часов. После полного набора энергии зарядник отключается.

Видео

Все разнообразие литиевых современных источников энергии и о том, как заряжать литиевую батарейку представлено на видео.

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.

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»).

Из истории создания литиевых элементов питания

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.

Источники тока на основе системы литий/тионилхлорид (Li/SOСl2)

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.