Литиевые элементы питания. Свойства литиевых батареек с разными анодными парами. Типы литиевых батарей

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.

Химические источники тока (ХИТ) прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Практически каждый из нас имел дело с гальваническими элементами, но не каждому эта встреча могла оставить приятные воспоминания. Случалось, что батарейки почему-то работали меньше, чем ожидалось, у них быстро снижалось напряжение, или нагрузка просто отказывалась нормально функционировать с некоторыми типами элементов. В этом случае, как правило, мы считали виноватым производителя элементов и редко допускали, что могла быть и доля нашей собственной вины. Может быть, в данном случае элемент повел себя так, как и должен был? Ведь различные нагрузки нуждаются и в различных источниках тока. Например, фотоаппарат со вспышкой требует кратковременного, но достаточно большого тока, а цифровому аудиоплееру, наоборот, требуется длительный ток небольшой величины.

Если в бытовом применении потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источников тока — для него они просто батарейки и аккумуляторы, то для применения в промышленном оборудовании необходимо обладать полной информацией о существующих источниках и их различиях между собой. Это требуется для того, чтобы избежать возможных ошибок, связанных с неправильным применением источников тока в том или ином приложении.

Химический источник тока — это устройство, непосредственно преобразующее энергию химической реакции, протекающей между анодом и катодом, в электрическую энергию. Все химические источники по способности к повторному использованию подразделятся на две большие группы: первичные источники тока и вторичные источники тока. Первичные источники тока (элементы) обеспечивают только разряд и не могут заряжаться — они используются однократно. Вторичные источники тока (аккумуляторы) могут заряжаться и использоваться многократно в циклическом режиме «заряд-разряд».

В мире производится несколько основных типов химических источников тока (солевые, щелочные, литиевые и др.) и достаточно большое количество их разновидностей, различающихся типом электрохимической системы, электрической емкостью, допустимыми токами разряда и саморазряда, а также — другими параметрами. Некоторые параметры основных типов первичных источников тока приведены в таблице 1 (ориентировочная электрическая емкость указана при непрерывном разряде тока 10 мА).

Таблица 1. Параметры первичных ХИТ

Типы ХИТ	Рабочее напряжение, В	Электрическая емкость, мАч	Диапазон рабочей температуры, °С	Саморазряд, % в год
Солевые (тип корпуса АА)	1,5	1000…1100	-20…60	>10
Щелочные (тип корпуса АА)	1,5	2400…2500	-30…60	5…8
Литий-тионилхлоридные (тип корпуса АА)	3,3…3,6	2000…2100	-55…85 (150)	<1
Литий-диоксидмарганцевые (тип корпуса АА)	3	1500…1600	-20 (-40)…70 (85)	2…2,5
Литий-диоксидсерные (тип корпуса АА)	2,6…2,9	800…900	-55…70	1…2

До недавнего времени солевые источники тока, имеющие самую низкую стоимость, являлись наиболее распространенными, но, в силу многих присущих им недостатков, в настоящее время неуклонно вытесняются щелочными (Alkaline) и литиевыми.

Определенное сочетание основных параметров определяет то или иное назначение источников тока. Для некоторых задач, где основным фактором выступает первоначальная низкая стоимость электропитания, можно использовать недорогие щелочные, или даже солевые источники тока. Однако для применений, где требуются источники повышенной энергии, обладающие низким током саморазряда и/или длительным сроком службы, следует выбирать другой тип. Наиболее перспективным типом, с учетом указанных параметров, в настоящее время являются литиевые источники.

Литиевые источники тока производятся в различных форм-факторах («таблетка», цилиндрические, призматические (рисунок 1)) в виде элементов и аккумуляторов, которые, в свою очередь, различаются типом электрохимической системы и некоторыми основными параметрами:

Первичные источники тока
(элементы)

• литий-тионилхлоридные (Li/SOCl 2);
• литий-диоксидмарганцевые (Li/MnO 2);
• литий-диоксидсерные (Li/SO 2);

Вторичные источники тока
(аккумуляторы)

• литий-полимерные (Li/Polimer)
• литий-железофосфатные (Li/FePO 4);
• литий-ионные (Li/Ion).

Рис. 1.

Общим для всех этих источников является то, что анод у них выполнен из металлического лития. По своим химическим свойствам металлический литий является одним из самых активных элементов и, к тому же, он обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам. Используя этот материал в качестве анода, удалось достичь того, что литиевые элементы имеют наибольшее номинальное напряжение при минимальных габаритах и характеризуются самым высоким значением удельной плотности энергии по сравнению с источниками других типов. Общим является также и то, что, обладая самой большой удельной плотностью энергии, элементы этого типа в основном предназначены для работы с нагрузками, требующими небольшого или среднего разрядного тока. Возможно, что по этой причине, а также — из-за стоимости, они пока не смогли полностью вытеснить с рынка щелочные элементы, допускающие повышенные токи разряда. Но развитие литиевых элементов продолжается и производители этого вида продукции, например, такие известные компании, как EEMB, EVE Energy, выпускают элементы с большими разрядными токами от сотен миллиампер до нескольких ампер.

В группе литиевых элементов наиболее отлажено производство литий-диоксидмарганцевых (Li/MnO 2) и литий-диоксидсерных (Li/SO 2) элементов, поэтому они являются самыми массовыми и доступными по стоимости. Среди этой продукции имеются изделия, допускающие повышенные токи разряда. Это элементы, выполненные по так называемой спиральной технологии. При этой технологии анод изготавливается в виде спирали, чем достигается максимальная площадь поверхности взаимодействия между анодом и катодом и изделие способно на повышенную отдачу тока. Литий-диоксидмарганцевые элементы характеризуются малым током саморазряда, высокой надежностью и сроком хранения более 10 лет. Так называемые элементы «таблеточного» типа в основном изготавливаются именно этих двух электрохимических систем.

Некоторые наиболее востребованные литий-диоксидмарганцевые элементы приведены в таблице 2.

Таблица 2. Литий-диоксидмарганцевые элементы

Наименование	Тип корпуса	Рабочее напряжение, В	Ном. емкость, мАч	Ток разряда, мА	Ток разряда макс., мА		Размеры, мм		Темпе-ратурный диапазон, °С	Произ-водитель
					пост.	имп.	диаметр	высота
Цилиндрические с повышенным током разряда
CR14250SC	1/2АА	3,0	650	20	800	1500	14,0	25,0	-40…60	EEMB
CR14250		3,0	650	10	500	1500	14,5	25,0	-40…85	EVE
CR14505SC	АА	3,0	1500	20	2000	2500	14,5	50,5	-40…60	EEMB
CR1405		3,0	1600	10	1500	3000	14,5	50,5	-40…85	EVE
CR17505SL	А	3,0	2500	10	1500	3500	17,0	50,5	-40…85	EEMB
CR17505		3,0	2400	10	1500	3000	17,0	50,5	-40…85	EVE
CR26500SL	С	3,0	5000	10	2000	3000	26,0	50,0	-40…85	EEMB
CR26500		3,0	5000	10	2000	3000	26,0	50,0	-40…85	EVE
CR34615SL	D	3,0	10000	10	2000	3000	34,0	61,5	-40…85	EEMB
CR34615		3,0	10000	10	2000	3000	34,0	61,5	-40…85	EVE
Таблеточного типа
CR1620		3,0	70	0,2	2	10	16	2,0	-20…70	EEMB
CR1620		3,0	70	0,1	3	8	16	2,0	-20…70	EVE
CR2025		3,0	150	0,4	3	15	20	2,5	-20…70	EEMB
CR2025		3,0	160	0,2	3	15	20	2,5	-20…70	EVE
CR2032		3,0	210	0,4	3	15	20	3,2	-20…70	EEMB
CR2032		3,0	225	0,2	3	15	20	3,2	-20…70	EVE
Цилиндрические повышенной емкости
CR14505BL	AA	3,0	1800	0,5	10	100	14,5	50,5	-40…85	EEMB
CR17335BL	2/3A	3,0	1800	1,0	10	100	17,0	33,5	-40…85	EEMB

Здесь и далее по тексту номенклатура, указанная в таблицах, приведена в ограниченном объеме. Для более полной информации по всей выпускаемой продукции необходимо обращаться непосредственно на сайт производителя или в КОМПЭЛ.

Элементы с электрохимической системой «литий-диоксид серы» обладают достаточно высокой удельной мощностью и работоспособны в диапазоне температур 55…70°С; разрядное напряжение составляет 2,6…2,9 В (в зависимости от плотности тока). Напряжение имеет очень хорошую стабильность при разряде по сравнению с литий-диоксид марганцевым элементом до тех пор, пока элемент не разрядится полностью. Затем напряжение резко уменьшается (рисунок 2).

Рис. 2.

К недостаткам этого вида элементов можно отнести повышенное внутреннее давление и опасность сильного нагрева при коротком замыкании. Для предотвращения нежелательных последствий, которые могут возникнуть в этом случае, в корпусе элемента устанавливается специальный предохранитель, сбрасывающий при нагреве лишнее давление.

Несколько типов литиевых элементов системы «литий-диоксид серы» рассмотрены в таблице 3.

Таблица 3. Литий-диоксидсерные элементы

Наименование	Тип корпуса	Рабочее напряжение, В	Номинальная емкость, мАч	Ток разряда, мА	Ток разряда макс., мА		Размеры, мм		Температурный диапазон, °С	Производитель
					пост.	имп.	диаметр	высота
LSS14505	АА	2,9	1100	3	100	200	14,5	50,5	-54…71	EEMB
LSS26500	C	2,9	3500	30	1000	2000	26,5	50	-54…71	EEMB
LSS34615	D	2,9	8000	50	2000	5000	34	61,5	-54…71	EEMB

Все литиевые элементы по отношению к другим типам элементов обладают рядом очень важных преимуществ (таблица 1). Основное из них — упоминавшаяся ранее высокая удельная плотность энергии. Удельная плотность энергии — это отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема (Вт.ч/кг или Вт.ч/дм 3). Источники тока с большей удельной плотностью энергии при равных габаритных размерах с источниками других типов позволяют обеспечить питанием нагрузку в течение более продолжительного времени. Как видно из таблицы 1 и рисунка 2, самым высоким значением удельной плотности энергии обладают литий-тионилхлоридные элементы (Li/SOCl 2). Кроме того, элементы этого типа имеют широкий рабочий температурный диапазон -55…85°С, что допускает их эксплуатацию в жестких условиях, и обладают очень хорошей стабильностью напряжения при разряде (рисунок 2). Отдельно нужно выделить наличие элементов с расширенным рабочим температурным диапазоном в области верхнего значения -20…125/150°С, а также — элементов, допускающих повышенные токи разряда (таблица 4).

Таблица 4. Литий-тионилхлоридные элементы

Наименование	Тип корпуса	Рабочее напряжение, В	Номинальная емкость, мАч	Ток разряда, мА	Ток разряда макс., мА		Размеры, мм		Температурный диапазон, °С	Производитель
					пост.	имп.	диаметр	высота
Повышенной емкости цилиндрические
ER10450	AAA	3,6	700	1	5	30	10,2	46,2	-55…85	EEMB
ER14250	1/2АА	3,6	1200	0,5	40	80	14,5	25,2	-55…85	EEMB
ER14250		3,6	1200	0,5	15	50	14,5	25,4	-55°…85	EVE
ER14505	АA	3,6	2400	2	100	200	14,5	50,5	-55…85	EEMB
ER14505		3,6	2700	1	40	150	14,5	50,5	-55…85	EVE
ER26500	С	3,6	9000	2	230	400	26,0	50,0	-55…85	EEMB
ER26500		3,6	8500	4	150	300	26,0	50,0	-55…85	EVE
ER341245	DD	3,6	36000	2	450	1000	34,0	124,5	-55…85	EEMB
ER341245		3,6	35000	10	420	500	33,1	124,5	-55…85	EVE
С повышенным током разряда цилиндрические
ER14505M	AA	3,6	1800	10	500	1000	14,5	50,5	-55…85	EEMB
ER14505M		3,6	2000	4	400	1000	14,7	50,7	-40…85	EVE
ER26500M	C	3,6	6500	10	1000	2000	26,2	50	-55…85	EEMB
ER26500M		3,6	6000	10	1000	2000	26,2	50	-40…85	EVE
ER34615M	D	3,6	14000	10	2000	3000	34	60,5	-55…85	EEMB
ER34615M		3,6	13000	15	2000	4000	33,1	61,5	-40…85	EVE
С расширенным температурным диапазоном цилиндрические
ER14505S	AA	3,6	1600	100	100	—	14,5	50,5	-20…125	EEMB
ER14505S		3,6	1600	нд	нд	—	14,7	50,5	-40…150	EVE
ER26500S	C	3,6	4800	35	100	—	26,2	50	-20…150	EEMB
ER26500S		3,6	6000	нд	нд	—	26,9	50	-40…150	EVE
ER34615S	D	3,6	10500	35	200	—	34	60,5	-20…150	EEMB
ER34615S		3.6	13000	нд	нд	—	33,9	61,5	-40…150	EVE

Следующим важным преимуществом группы литиевых элементов является сверхмалый ток саморазряда (потеря 1…2,5% емкости в год). Благодаря столь малой потере емкости рассматриваемые типы элементов могут храниться в обычных условиях больше 10 лет, при этом емкость снизится всего на 10%. Самым малым током саморазряда, как видно из таблицы 1, обладают литий-тионилхлоридные элементы.

Долгий срок хранения и низкий ток саморазряда литий-тионилхлоридных элементов — это, конечно, неоспоримый плюс. Такое свойство обеспечивается тонкой изолирующей пленкой хлорида лития, которая возникает на поверхности литиевого электрода. Пленка образуется из-за химической реакции, возникающей еще во время сборки элемента. Образовавшаяся пленка прекращает химическую реакцию и резко уменьшает ток саморазряда, в результате этого имеем элемент с длительным сроком хранения практически без ухудшения параметров. Но есть и отрицательная сторона этого процесса. Если к элементу подключить нагрузку, потребляющую достаточно большой ток, то на батарее (нагрузке) в начальный момент времени окажется пониженное напряжение около 2,3…2,7 В, хотя на холостом ходу напряжение будет нормальным 3,3…3,6 В. Это происходит из-за того, что образовавшаяся изолирующая пленка не может разрушиться мгновенно и препятствует протеканию тока (обладает достаточно высоким сопротивлением). В процессе хранения элемента толщина изолирующей пленки увеличивается. Этот процесс называется пассивацией литиевого элемента. Пассивации подвержены литиевые элементы всех производителей без исключения.

Степень пассивации элемента зависит от времени и условий его хранения, а также — от режима эксплуатации. Чем больше период хранения и выше температура, тем толще пленка. Значительные негативные проявления эффекта пассивации начинаются после 5…6 месяцев хранения в нормальных условиях, либо после длительного использования элемента в микротоковом режиме (единицы микроампер и менее).

В реальной жизни часто встречаются устройства, работающие большую часть времени в ждущем режиме (например, какие-либо датчики). Приборы длительное время потребляют ток в несколько микроампер или десятков микроампер, а по свершению некоторого события должны включиться в режим среднего или большого энергопотребления. В этом случае, если в приборе установлена батарея после длительного хранения, или режим микропотребления длился очень долго, то переход в режим повышенного энергопотребления может и не произойти. Элемент выдаст пониженное напряжение.

Пониженное напряжение в меньшей степени влияет на устройства с малым потреблением тока. В момент подключения такой нагрузки напряжение на элементе снизится незначительно, и устройство будет работать, однако процесс пассивации продолжится, и в какой-то момент времени устройство может отключиться, или его работа станет неустойчивой. Для таких устройств не следует использовать энергоемкие литиевые источники тока.

При подключении нагрузки, потребляющей несколько миллиампер (средняя нагрузка), произойдет понижение напряжения и затем, через некоторое время, оно восстановится до нормального значения. Это объясняется тем, что при потреблении указанного тока имеющаяся пленка с течением времени разрушится, а постоянно протекающий или протекающий с достаточно короткими промежутками времени ток будет препятствовать ее образованию.

Пониженное напряжение на элементе, потребляющем большой ток (десятки миллиампер), в момент подключения нагрузки может нарушить его работу, или же он просто не включится. Замена элемента на новый (только что купленный и не бывший в эксплуатации) ситуацию не исправит, а проверка нагрузки покажет, что с ее схемой все в порядке. Получается следующая ситуация: установили новый элемент питания — и прибор перестал работать!

Подобный случай встречался в практике автора данной статьи. При работе на одном из предприятий пришлось подготавливать некоторое изделие к серийному выпуску. Изделие состояло из нескольких отдельных устройств. Одно из устройств имело особенность — его рабочий режим был импульсным, с достаточно большим током потребления (пульт дистанционного управления). В качестве источника питания в изделие разработчиком были заложены литиевые элементы. В то время подобные элементы были не особенно распространены, а их «особенности» не были широко известны, и отдел закупок приобрел партию похожих по основным параметрам элементов (по напряжению и емкости). Эти элементы были поставлены в устройство и оказалось, что у всех устройств, уже проверенных и настроенных, резко сократилась дальность связи. Посчитали, что элементы долго хранились и потеряли часть емкости (они на самом деле достаточно долго хранились). Была закуплена еще одна партия элементов (более «свежих») — кардинально ситуация не улучшилась. Когда стали разбираться — выяснилось, что данные элементы обладают эффектом пассивации. В дальнейшем проблему смогли устранить некоторой доработкой схемы (подключили несколько электролитических конденсаторов параллельно элементу питания). Первые включения устройства стали происходить за счет части энергии, накопленной в конденсаторах, и одновременно с этим импульсы тока депассивировали элемент.

Литий-тионилхлоридные элементы перед использованием необходимо депассивировать, т. е. разрушить изолирующую пленку хлорида лития импульсом тока. На рисунке 3 показан график, поясняющий депассивацию литий-тионилхлоридных первичных источников тока.

Рис. 3.

На графике имеется четыре области:

• I- область показывает напряжение на элементе в отсутствие нагрузки (холостой ход; 3,6В);
• II- область иллюстрирует, что при подключении нагрузки в момент времени t0 возникает импульс тока, который приводит к резкому уменьшению напряжения на элементе до уровня 2,4В;
• III- область: происходит разрушение основной части площади изолирующей пленки и напряжение на элементе возрастает до 3В. При достижении напряжения 3,0В с подключенной нагрузкой считается, что депассивация выполнена;
• IV- область: 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 максимально допустимые значения тока и времени депассивации. В таблице 5 указаны режимы депассивации для некоторых элементов компании EEMB.

Таблица 5. Параметры для депассивации литий-тионилхлоридных элементов EEMB

Максимальное значение тока депассивации для литий-тионилхлоридных элементов можно определить по правилу:

макс. импульсный ток > макс. ток депассивации < 2 х макс. рабочий ток

При длительном хранении литий-тионилхлоридных элементов можно предупредить образование пленки хлорида лития с помощью регулярной кратковременной нагрузки элемента током не менее 1,25% от номинальной емкости в течение трех секунд один раз в сутки.

Следует отметить, что процессу пассивации подвержены практически все литиевые источники тока, но у литий-тионилхлоридных он выражен наиболее остро, а эти источники, ввиду их непревзойденной удельной плотности энергии, очень востребованы на рынке.

Батареи и аккумуляторы, например, компании EEMB, выпускаются с различными выводами для разных вариантов монтажа на печатную плату. Каждая версия выводов имеет свои буквенные обозначения — дополнительные символы в конце наименования. Некоторые, наиболее популярные из них, приведены на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показаны варианты выводов элементов питания «таблеточного» типа, а на рисунке 5 — цилиндрического типа. Если в наименовании отсутствует кодировка выводов — это означает, что элементы питания предназначены для установки в обычные держатели батарей (стандартный элемент).

Рис. 4.

Рис. 5.

Говоря о достоинствах литиевых источниках тока, следует сказать и об их недостатках. К недостаткам литиевых элементов следует отнести пока еще относительно высокую стоимость по сравнению с другими типами элементов, обусловленную высокой ценой лития и особыми требованиями к производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей), а также пассивацию. Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при вскрытии взрывоопасны. Однако, это не должно препятствовать использованию данного вида источников тока. Необходимо только помнить об особенностях их применения.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

GS05E-USB — источник питания от MEAN WELL для USB-устройств

В настоящее время трудно представить нашу повседневную жизнь без носимых устройств с USB-портом: мобильные телефоны, электронные книги, планшетники и др. Подобные устройства питаются от химического источника тока, как правило, аккумулятора и, соответственно, требуют периодической подзарядки. Если рядом всегда имеется какое-либо устройство, подключаемое к сети 220 В/50 Гц с USB портом (ноутбук, стационарный компьютер или другое устройство), то проблемы с зарядкой носимого устройства не возникает. Но зачем специально подключать к сети достаточно мощное устройство, прилично расходующее электроэнергию для собственного питания, если можно обойтись специальным экономичным источником питания?

С другой стороны, часто бывает ситуация когда носимое устройство разрядилось в самый неподходящий момент, а другое USB устройство, подключаемое к сети, от которого можно бы было подзарядить «севший» аккумулятор, отсутствует. Для исключения подобных нежелательных ситуаций компания MEAN WELL разработала специальный источник питания GS05E-USB для устройств с USB-портом или устройств питающихся от USB-порта. Данный источник на выходе обеспечивает ток 1 А при напряжении 5 В; соответствует классу II по защите от поражения электрическим током (двойная изоляция) и характеризуется крайне малым энергопотреблением без нагрузки (менее 0,3 Вт).

Устройство имеет компактный размер и небольшую массу, что позволяет его носить с собой и всегда иметь возможность (при наличии 220 В/50 Гц) подключить разряженное USB-устройство, чтобы им воспользоваться.

Основные параметры:

• Диапазон входного напряжения 90…264В
• Выходное напряжение 5В
• Выходной ток 1А
• Выход USB
• Размер 42x30x20мм

О компании EVE Energy

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.

Батарея литиевая является безопасным и энергоемким устройством. Ее главное преимущество — работа без зарядки на протяжении долгого времени. Она может функционировать при действии даже самых низких температур. Из-за своей способности сохранять энергию батарея литиевая превосходит другие виды. Именно поэтому с каждым годом их производство увеличивается. Они могут быть двух форм: цилиндрической и призматической.

Применение

Они широко применяются в компьютерной технике, мобильных телефонах и другой технике. Зарядные устройства литиевых батарей обладают рабочим напряжением 4 В. Важнейшие преимущество - работа при большом диапазоне температур, что находятся в пределах от -20 °С до +60 °С. На сегодняшний день существуют такие батареи, которые способны функционировать при температуре ниже -30 °С. С каждым годом разработчики пытаются увеличить как положительный, так и отрицательный диапазон температур.

В первое время батарея литиевая теряет порядка 5 % своей емкости, и с каждым месяцем эта цифра увеличивается. Данный показатель лучше, чем у других представителей батарей. В зависимости от зарядного напряжения они могут прослужить от 500 до 1000 циклов.

Типы литиевых батарей

Существуют такие виды литиевых аккумуляторов, которые встречаются в разных сферах бытового и промышленного хозяйства:

• литий-ионный — для основного или резервного электроснабжения, транспорта, электроинструмента;
• никель-солевой — автомобильный и железнодорожный транспорт;
• никель-кадмиевый — судостроение и авиастроение;
• железо-никелевый — электропитание;
• никель-водородный — космос;
• никель-цинковый — фотоаппараты;
• серебряно-цинковый — военная отрасль и т. д.

Основным видом являются литиево-ионные батареи. Они используются в сферах электроснабжения, производства электроинструмента, телефонов и т. д. Батареи могут функционировать при температуре от -20 ºС до +40 ºС, но ведутся разработки по увеличению данных диапазонов.

При напряжении всего 4 В выделяется достаточное количество удельного тепла.

Они подразделяются на разные подтипы, которые отличаются между собой составом катода. Он изменяется путем замены графита или добавлением к нему специальных веществ.

Литиевые батареи: устройство

Как правило, такие устройства производятся призматической формы, но встречаются модели и в цилиндрическом корпусе. Внутренняя часть состоит электродов или сепараторов. Для изготовления корпуса используют сталь или алюминий. Контакты выводятся на крышку аккумулятора, причем они должны быть изолированными. батареи призматического типа содержат определенное количество пластин. Они уложены друг на друга. Чтобы обеспечить дополнительную безопасность, батарея литиевая имеет специальное устройство. Оно находится внутри и служит для контроля рабочего процесса.

В случае возникновения опасных ситуаций прибор отключает аккумулятор. Кроме того, оборудование обеспечивается внешней защитой. Корпус абсолютно герметичный, поэтому не происходит вытекания электролита, а также попадания воды внутрь. Электрический заряд появляется за счет ионов лития, которые взаимодействуют с кристаллической решеткой других элементов.

Шуруповерт с литиевой батареей

В нем могут быть установлены три вида аккумуляторов, которые отличаются по своему катодному составу:

• кобальта-литиевые;
• литий-феррофосфатные;
• литий-марганцовые.

Шуруповерт с литиевой батареей отличается от других низким уровнем саморазрядки. Еще одно важное преимущество — не требует обслуживания. При поломке литиевого аккумулятора его можно выбросить, так как он не наносит вреда человеку и окружающей среде. Единственный минус — низкая зарядка литиевых батарей, а также высокие требования к безопасности. Тяжело выполнить его зарядку при отрицательных температурах.

Основные характеристики

Именно от технических характеристик зависит работа шуруповерта, состояние его мощности, время возможного функционирования. Среди остальных технических показателей выделяют:

• напряжение одного аккумулятора в приборе может находиться в пределах от 3 до 5 В;
• показатель максимальной энергоемкости доходит до 400 Вт-ч/л;
• потеря собственного заряда на 5 %, а со временем на 20 %;
• комплексный режим зарядки;
• полная зарядка батареи происходит за 2 часа;
• сопротивление от 5 до 15 мОм/А-ч;
• количество циклов — 1000 раз;
• срок службы — от 3 до 5 лет;
• использование разных видов тока при определенных емкостях аккумулятора, например, емкость 65 ºС — используется постоянный ток.

Производство

Большинство производителей стремятся сделать электрические инструменты более совершенными и отвечающими современным технологиям.

Для этого необходимо предусмотреть в конструкции хорошие аккумуляторы. Наиболее популярными фирмами-производителями являются:

1. Фирма Bosh. Литиевая аккумуляторная батарея изготавливается по новой технологии ECP. Именно она контролирует разряд устройства. Еще одним ее полезным свойством является защита от перегрева. При высокой мощности специальное устройство понижает температуру. В конструкции батареи предусмотрены отверстия, которые служат в качестве вентиляции и охлаждают аккумулятор. Еще одна технология — Charge, благодаря которой зарядка происходит намного быстрее. Кроме того, компания Bosh производит аккумуляторы для различных электрических инструментов. Многие пользователи оставляют хорошие отзывы о данной фирме.
2. Компания Makita. Она производит собственные микросхемы, которые контролируют все рабочие показатели и процессы в аккумуляторе, например, температура, содержание зарядки. Благодаря этому можно подобрать режим зарядки и время ее проведения. Такие микросхемы увеличивают срок эксплуатации. Батареи изготовляются с достаточно мощным корпусом, поэтому они не подвергаются механическим воздействиям.
3. Фирма Hitachi. Благодаря ее новейшим технологиям вес и габаритные размеры аккумулятора уменьшаются. Именно поэтому электрический инструмент становится легким и мобильным.

Особенности эксплуатации

При использовании аккумулятора необходимо придерживаться таких правил:

1. Не нужно использовать литиевую батарею для отдельных незащищенных элементов, и покупать дешевые китайские детали. Такое устройство не будет безопасным, так как будет отсутствовать система, защищающая от короткого замыкания и повышенных температур. То есть при значительном перегреве батарея может взорваться, и срок ее службы будет гораздо меньше.
2. Нельзя нагревать аккумулятор. При возрастании температуры внутри устройства повышается давление. Эти действия приведут к взрыву. Поэтому не нужно открывать верхнюю крышку батареи и ставить ее в места, подвергающиеся воздействию солнечных лучей. Такие действия сократят срок эксплуатации.
3. Нельзя подносить к контактам, находящимся вверху крышки, дополнительные источники электричества, так как может возникнуть короткое замыкание. Встроенные системы защиты не всегда помогут в данном вопросе.
4. Заряжать аккумулятор необходимо с соблюдением всех правил. При зарядке следует использовать такие которые равномерно распределяют ток.
5. Процедуру зарядки аккумулятора проводят при положительной температуре.
6. Если возникла необходимость подключения нескольких литиевых батарей, то нужно использовать модели одного и того же производителя, и схожие по техническим характеристикам.
7. Хранить литиевые батареи следует в сухом месте, которое не подвергается солнечным лучам с температурой более 5 ºС. При воздействии на оборудование высоких температур заряд будет снижаться. Перед хранением в зимний период года аккумулятор заряжают на 50 % своей емкости. Следует следить, чтобы батарея полностью не разрядилась. Если это произошло — срочно зарядить ее. При возникновении на корпусе механических повреждений, а также признаков ржавчины, прибор использовать нельзя.
8. Если при работе возникает значительный перегрев батареи, появление дыма, то следует немедленно прекратить ее использование. После этого переместить поврежденное устройство в безопасное место. Если из корпуса выделяется вещество, то нужно не допустить его попадание на кожу или другие органы.
9. Запрещается выкидывать и сжигать литиевые аккумуляторы. Их утилизация происходит при механических повреждениях корпуса, взрывах или попадании внутрь воды или пара.

О возгорании

Если случилось возгорание литиевого аккумулятора, то его нельзя тушить водой и огнетушителем — углекислота и вода может вступать в реакцию с литием. Чтобы потушить его, следует использовать песок, соль, а также с помощью плотной ткани.

Процесс зарядки

Литиевая батарея, зарядное от которой подключается к постоянному току, заряжается при напряжении от 5 В и выше.

При этом существует минус — они неустойчивы к перезаряду. Повышение температуры внутри корпуса приводит к его повреждениям.

В инструкции к эксплуатации указан специальный уровень. При его достижении следует производить его зарядку. Если повышать напряжение при зарядке свойства литиевого аккумулятора существенно снизятся.

Как говорилось ранее, батареи составляет 3 года. Чтобы сохранить данный срок, необходимо придерживаться условий эксплуатации, зарядки и хранения. Кроме того, они должны постоянно функционировать, а не храниться.

Перезаряд

В конструкции батареи предусмотрена система перезаряда, поэтому зарядное устройство можно не отключать и не бояться, что состав внутри закипит, как это случается с автомобильными АКБ.

Если оборудование будет храниться более одного месяца, его необходимо полностью разрядить. Это существенно продлит срок эксплуатации.

Стоимость

Цена литий-ионной батареи зависит от емкости и технических характеристик.

В среднем она варьируется в пределах от 100 до 500 рублей. Несмотря на такую стоимость, многие пользователи оставляют положительные отзывы. Среди положительных сторон выделяют большой диапазон рабочих температур, высокую мощность и способность работы более чем на 1000 циклов (порядка 3 лет интенсивного пользования). Устройства широко используются в разных сферах, поэтому их пользу может оценить каждый человек.

Итак, мы выяснили, что представляют собой литиевые 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

Технология	Литий-тионилхлорид (Li-SOCl2)		Литий-диоксидмарганца (Li-MnO2)
Производитель	EEMB	SAFT	EEMB	SAFT	EEMB
Форм-фактор	цилиндрический		цилиндрический		«таблетка»
Напряжение, В	3,6		3
Температурный диапазон, °С	-55…150	-60…150	-40…85	-40…70	-20…125
Саморазряд, % в год	1		1		1…3
Срок хранения (нормальные условия), лет	до 15…20		до 10…15		до 7
Сравительная энергоемкость	***		**
Сравнительная стоимость	**	****	***	*****	*
Пассивация	есть	слабо выраженная	нет

Как видно из таблицы, лучшими техническими и экономическими параметрами среди цилиндрических элементов обладает литий-тионилхлоридный. Данный тип электрохимической системы имеет максимальное напряжение, лучшую энергоемкость, самый низкий саморазряд и минимальную стоимость (сравнение между изделиями одного производителя, но не между производителями). На основе этой системы можно найти батарею практически для любого температурного диапазона с перекрытием от -60 до 150°С и с максимальным током разряда от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер (в зависимости от конструкции элемента, – «бобинной» (высокоемкой) или «спиральной» (высокомощной), – и его габаритов). Казалось бы, вот идеальная батарейка, но не все так однозначно. Если мы имеем исключительные характеристики, то непременно найдется что-то не очень приятное.

В данном случае неприятность связана с эффектом пассивации. Принципиально эффект пассивации есть у всех литий-тионилхлоридных элементов всех производителей, но у кого-то он выражен сильнее, а у кого-то слабее. Например, в продукции французского производителя SAFT этот эффект выражен значительно слабее по сравнению с производителем EEMB или другими. С другой стороны, продукция SAFT имеет существенно более высокую стоимость. Разница в стоимости может достигать 2,5…3 раза.

Поскольку подавляющее количество претензий к тионил-хлоридным элементам связано с пассивацией, рассмотрим подробнее этот эффект. Сразу заметим, что этот процесс обратимый, и пассивированный элемент не является бракованным, но перед использованием его следует депассивировать (активировать). Как это сделать, рассказано ниже.

Эффект пассивации заключается в образовании изолирующей пленки (хлорида лития) на поверхности литиевого анода в процессе производства элемента. Пленка образуется из-за химической реакции, возникающей еще во время сборки элемента. Образовавшаяся пленка прекращает химическую реакцию и резко уменьшает ток саморазряда, в результате чего мы имеем элемент с длительным сроком хранения (до 15-20 лет при нормальных условиях) практически без ухудшения параметров. Но есть и отрицательная сторона этого процесса. Если к элементу подключить нагрузку, потребляющую достаточно большой ток, то на нагрузке в начальный момент времени окажется пониженное напряжение около 2,3…2,7 В (и даже меньше), хотя на холостом ходу напряжение будет нормальным 3,3…3,6 В. Это происходит из-за того, что образовавшаяся пленка имеет низкую проводимость и не может разрушиться мгновенно, препятствуя протеканию тока.

Степень пассивации элемента (толщина пленки) зависит от времени и условий его хранения, а также от режима эксплуатации. Чем больше период хранения и выше температура, тем толще пленка. Значительные негативные проявления эффекта пассивации начинаются после 5-6 месяцев хранения в нормальных условиях либо как результат длительного использования элемента в микротоковом режиме (единицы микроампер).

В реальной жизни часто встречаются устройства, работающие большую часть времени в ждущем (микротоковом) режиме (например, датчики). Приборы длительное время потребляют ток несколько микроампер или десятков микроампер, а по свершению некоторого события должны включиться в режим среднего или большого энергопотребления. В этом случае, если в прибор установлена батарея после длительного хранения или режим микропотребления длился очень долго, переход в режим повышенного энергопотребления может и не произойти. Элемент выдаст пониженное напряжение, и устройство не включится.

Пониженное напряжение в меньшей степени влияет на устройства с малым потреблением тока. В момент подключения такой нагрузки напряжение на элементе снизится незначительно, и устройство будет работать, однако, если ток очень мал (несколько микроампер), то процесс пассивации может продолжиться, и в какой-то момент времени работа устройства станет нестабильной.

При подключении нагрузки, потребляющей несколько миллиампер (средняя нагрузка), произойдет понижение напряжения, и затем через некоторое время оно восстановится до нормального значения. Это объясняется тем, что при потреблении указанного тока имеющаяся пленка с течением времени разрушится, а постоянно протекающий или протекающий с достаточно короткими промежутками времени ток будет препятствовать ее образованию, и устройство будет работать стабильно.

Пониженное напряжение на элементе в момент подключения нагрузки, потребляющей большой ток (десятки миллиампер), может нарушить ее работу, или же она просто не включится. Замена элемента на новый (только что купленный и не бывший в эксплуатации) ситуацию не исправит, а проверка нагрузки покажет, что с ее схемой все в порядке.

Подобный случай встречался в практике автора статьи. Во время работы на одном из предприятий пришлось подготавливать изделие к серийному выпуску. Изделие состояло из нескольких отдельных устройств, одно из которых имело особенность – его рабочий режим был импульсным с достаточно большим током потребления (пульт дистанционного управления). Источником питания в изделии являлись литиевые элементы. В то время (начало 90-х) подобные элементы были не особенно распространены, и отдел закупок приобрел партию похожих по напряжению изделий. Эти элементы были установлены в устройства, и оказалось, что у всех устройств, уже проверенных и настроенных, резко сократилась дальность связи. Посчитали, что элементы долго хранились и потеряли часть емкости (они и на самом деле хранились достаточно долго). Была закуплена еще одна партия элементов (более «свежих») – ситуация кардинально не улучшилась. Когда стали разбираться, выяснилось, что данные элементы являются тионил-хлоридными и обладают эффектом пассивации. Проблему смогли решить некоторой доработкой схемы. Внутри устройства подключили несколько дополнительных электролитических конденсаторов параллельно разъему питания. Первые включения устройства стали происходить за счет части энергии, накопленной в конденсаторах, и, одновременно с этим, импульсы тока депассивировали элемент.

Литий-тионилхлоридные элементы, которые перед использованием хранились полгода и более, необходимо депассивировать, т. е. разрушить изолирующую пленку хлорида лития импульсом тока. На рисунке 2 представлен график, поясняющий депассивацию литий-тионилхлоридных первичных источников тока. На графике имеются четыре области.

I: показывает напряжение на элементе в отсутствии нагрузки (холостой ход; 3,6 В);

II: при подключении нагрузки в момент времени t0 возникает импульс тока, который приводит к резкому уменьшению напряжения на элементе до уровня 2,4 В.

III: происходит разрушение основной части площади изолирующей пленки и напряжение на элементе возрастает до 3 В. При достижении напряжения 3,0 В с подключенной нагрузкой считается, что депассивация выполнена.

IV: происходит дальнейшее разрушение оставшейся части площади пленки и напряжение постепенно повышается до номинального значения.

Для активации ни в коем случае нельзя делать короткое замыкание выводов элемента питания. Подобный метод приведет к выходу элемента из строя. Существуют рекомендованные производителем допустимые режимы (ток и время) депассивации. В таблице 2 указаны режимы депассивации для некоторых элементов компании EEMB.

Таблица 2. Режимы депассивации для ЛХИТ производства EEMB

» target=»_blank»>er-1″ style=»text-align: center; background-color: white; width: 100%; border-collapse: collapse; border: #989DA7 2px solid;»>

Наименование	Ток активации/ нагрузочное сопротивление	Время хранения/время активации			Критерий проверки (активации)*
		3 месяца	6 месяцев	12 месяцев и более	Напряжение холостого хода, В	Напряжение на нагрузке, В
ER14250	10 мА/330 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	330	≥3,2
ER14335	15 мА/220 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	220	≥3,2
ER14505	20 мА/165 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	165	≥3,2
ER17335	20 мА/165 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	165	≥3,2
ER18505	33 мА/100 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	100	≥3,2
ER26500	60 мА/56 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	56	≥3,2
ER34615	60 мА/56 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	56	≥3,2
ER341245	100 мА/33 Ом	10 мин.	20 мин.	35 мин.	≥3,6	33	≥3,2
ER14250M	60 мА/56 Ом	10 мин.	15 мин.	30 мин.	≥3,6	56	≥3,2
ER14335M	60 мА/56 Ом	10 мин.	15 мин.	30 мин.	≥3,6	56	≥3,2
ER14505M	100 мА/33 Ом	10 мин.	15 мин.	30 мин.	≥3,6	33	≥3,2
ER17335M	100 мА/33 Ом	10 мин.	15 мин.	30 мин.	≥3,6	33	≥3,2
ER18505M	100 мА/33 Ом	10 мин.	25 мин.	35 мин.	≥3,6	33	≥3,2
ER26500M	150 мА/22 Ом	10 мин.	25 мин.	35 мин.	≥3,6	22	≥3,2
ER34615M	150 мА/22 Ом	10 мин.	25 мин.	35 мин.	≥3,6	22	≥3,2
* – Проверку по критерию активации проводить через 1 час после депассивации.

Поскольку прохождение тока приводит к разрушению диэлектрической пленки, то во избежание пассивации элемента в устройстве, длительное время работающем в режиме ожидания или в режиме микротоков, необходимо предусмотреть алгоритм периодического включения этого устройства или периодическое подключение дополнительной нагрузки к элементу питания. Если в устройстве есть микроконтроллер, то организовать это несложно и можно выполнить на программном уровне. Если по каким-то причинам это невозможно, то следует реализовать непрерывный разряд элемента небольшим током. Например, для предварительно депассивированного элемента ER14505 (тип АА) производитель EEMB рекомендует постоянный ток разряда на уровне 7…10 мкА. В любом случае, для устройства, работающего в режиме микротоков или в импульсном режиме с длительными периодами ожидания, следует вначале проконсультироваться с производителем или его представителем по профилю разряда на предмет пассивации и получить рекомендации, как ее избежать, если по выбранному профилю она может возникнуть.

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

Рис. 6. ЛХИТ производства EEMB: а) ER14505; б) CR14250

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.