Литиевые элементы питания. О компании EVE Energy. Шуруповерт с литиевой батареей

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.

Знак	V (В)	H (мм)	D (мм)	Народное название	Маркировка типоразмера
ААА	1,5	44,5	10,5	мизинчиковая	03
АА	1,5	50,5	14,5	пальчиковая	6
С	1,5	50,0	26,2	дюймовочка	14
D	1,5	61,5	34,2	бочка	20
РРЗ	9,0	48,5	26,5	крона	6/22

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.

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.

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

№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.

Фирма «Тайм-1 » реализует различные литиевые элементы питания от ведущих производителей аккумуляторных батарей – французской компании SAFT , израильской компании TADIRAN и китайского производителя

Литиевые элементы питания SAFT, TADIRAN, MINAMOTO широко используются в различных отраслях деятельности: космической и авиационной индустриях, медицине, военной и морской промышленности, гражданском электроснабжении и др. Благодаря своей надежности и отменному качеству литиевые элементы питания по достоинству оценены производителями и установщиками систем безопасности и комплексного освещения. Кроме реализации элементов питания для всевозможных электрических устройств наша компания имеет производственные мощности, которые позволяют под индивидуальные требования заказчика, на основе имеющихся компонентов, изготовить оригинальные элементы питания любой конфигурации.

Получить профессиональную консультацию наших менеджеров или заказать необходимые элементы питания Вы можете по телефону или ICQ (раздел «Контакты»).

Saft

Tadiran

Из истории создания литиевых элементов питания

Источники тока с более высокими энергетическими характеристиками и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей были созданы при отказе от водных электролитов. Наибольшие успехи были достигнуты при разработке литиевых элементов с органическим и твердым электролитом.

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 системы Li/SOСl2 с жидкофазным катодом обладают наилучшими удельными характеристиками среди литиевых первичных источников тока (до 600 Втч/кг и 1100 Втч/дм3). НРЦ элементов - 3,67 В, рабочее напряжение 3,3-3,5 В в зависимости от тока разряда.

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.