Заряд от -30°С, работа от -60°С – это аккумуляторы Saft

27 апреля 2016

SAFTстатьяLi-SOCl2

Литиевые источники питания широко применяются в самых разнообразных приложениях, от сотовых телефонов до источников бесперебойного питания. При этом существуют области, где их использование ограничено: оборудование для нефтегазовой отрасли, военная техника, морская и корабельная электроника. Именно в этих и им подобных областях предъявляются сверхжесткие требования к рабочему диапазону температур. Однако это не помеха для аккумуляторов от французской компании Saft, которые могут работать при температурах до -60°С!

Любой житель средней и северной полосы России знает, что на морозе срок службы аккумуляторов и батареек уменьшается. Казалось бы, только что заряженный аккумулятор может разрядиться за считанные часы. Поэтому житейская мудрость приучила держать сотовые телефоны, фотоаппараты и прочие гаджеты «ближе к телу», и доставать их только во время использования.

Не все в курсе, что кроме нижнего температурного порога использования литиевых элементов питания, существует также и нижняя температурная граница для их заряда. При этом допустимая температура заряда оказывается выше, чем допустимая температура разряда. Для большинства приложений вроде сотовых телефонов этот факт оказывается некритичным. Как правило, портативные приборы заряжаются дома в «тепличных» условиях. Однако существуют и такие приложения, которые требуют не только разрядки при низких температурах, но и зарядки.

Для военной, космической, нефтегазовой, автомобильной отраслей порог отрицательных рабочих температур используемого оборудования достигает -40°С и ниже. Это же относится и к источникам тока. Является ли это критическим ограничением для литиевых батареек и аккумуляторов? Совсем недавно на этот вопрос можно было ответить утвердительно, но сейчас существуют продукты, которые могут функционировать даже в таких тяжелых условиях. К этой группе можно отнести и химические источники тока (ХИТ) производства компании Saft. Для их работы сверхнизкие температуры – не помеха (рисунок 1).

Saft – именитый французский производитель элементов питания. Номенклатура компании достаточно разнообразна:

Рис. 1. Аккумуляторы Saft со сверхшироким диапазоном рабочих температур

Рис. 1. Аккумуляторы Saft со сверхшироким диапазоном рабочих температур

  • литиевые батареи серий LS и LSH на основе системы литий-тионилхлорид (Li-SOCl2) с напряжением 3,6 В и диапазоном рабочих температур -60…85°C (-40…150°C);
  • литиевые батареи серий LO/G на основе системы литий-диоксид серы (Li-SO2) с напряжением 2,8 В и диапазоном рабочих температур -60…70°C;
  • литиевые батареи серий LM и M на основе системы литий-диоксид марганца (Li-MnO2) с напряжением 3,0 В и диапазоном рабочих температур -40…70°C;
  • литий-ионные аккумуляторы общего назначения серий VL, MP144350, MP174565 Integration и MP176065 Integration с диапазоном температур разряда -50…60°C и заряда -20…60°C;
  • литий-ионные аккумуляторы серий MP174565 Integration xtd и MP176065 Integration xtd с увеличенным сроком службы, диапазоном температур разряда -40…85°C и расширенным диапазоном заряда -30…85°C;
  • литий-ионные аккумуляторы серии MP176065 Integration xс для экстремально низких температур с рабочим диапазоном разряда -50…60°C и диапазоном заряда -30…60°C.

Несложно заметить, что одной из особенностей каждой из перечисленных серий является широкий рабочий диапазон температур. При этом есть элементы питания как со сверхвысокой рабочей границей до 150°C, так и со сверхнизкой – до -60°C. Этот факт позволяет выбрать из номенклатуры Saft элемент питания практически для любого приложения (таблица 1).

Таблица 1. Области применения литиевых элементов питания Saft

Сфера применения Литиевые элементы первичного питания Литиевые перезаряжаемые аккумуляторы
LS/LSH LO/G LM/M MP Small VL
Военное оборудование + + + + +
Счетчики энергии и приборы учета + + + +
Нефтегазовая отрасль + + + +
Системы безопасности и сигнализации + + +
Медицинское оборудование + + +
Профессиональная электроника + + + +
Системы навигации и маршрутизации транспортных средств + + + +
Корабельное и морское оборудование + + + + +
Системы автоматического управления + + +

Устройство и принцип действия литиевых батареек

На сегодняшний день существует несколько основных типов литиевых гальванических элементов на основе следующих систем: литий-тионилхлорид (Li-SOCl2), литий-диоксид серы (Li-SO2), литий-диоксид марганца (Li-MnO2).

Существует два основных конструктивных исполнения литиевых гальванических элементов: бобинное и рулонное (рисунок 2). В случае бобинной конструкции в центре помещен угольный катод, а литиевый анод запрессован на периферии. В рулонной конструкции используется «свертка» анода и катода. Обычно бобинную конструкцию применяют для создания гальванических элементов с большим сроком службы (от 5 и более лет), малыми постоянными токами разряда и периодическими импульсами до нескольких сотен миллиампер. Рулонные элементы отличаются более высокими токами разряда вплоть до нескольких десятков ампер и несколько меньшей емкостью.

Рис. 2. Конструкция литиевых батареек

Рис. 2. Конструкция литиевых батареек

При протекании бурных химических реакций с участием лития может возникать значительный перегрев, что приводит к росту давления, а иногда – к воспламенению и взрыву. Для обеспечения безопасности в конструкции литиевых элементов предусмотрен защитный клапан.

К сожалению, потенциальная взрывоопасность – не единственный недостаток литиевых батареек. Существует и такое явление как пассивация. Физически она заключается в образовании соляной пленки на поверхности активного вещества, что приводит к изоляции электродов, падению напряжения. Литий – сверхактивный металл, тионилхлорид – сильный окислитель. Реакция между ними будет протекать, даже если батарейка не используется или используется с малой токовой нагрузкой. В результате образуется пленка хлорида лития (LiCl). Анод оказывается изолирован от катода. Эту пленку можно разрушить с помощью кратковременного пропускания повышенного тока. Однако есть тонкий момент. Большинство малопотребляющих устройств в принципе работает с малыми токами. Таким образом, выбор элемента питания с большим выходным током для маломощного портативного устройства – не совсем верный путь. Необходимо выбирать батарейку с номинальным током, близким к току потребления устройства. Кроме того, лучше использовать гальванические элементы тех производителей, которые смогли добиться уменьшения пассивации конструктивным путем. Например, у элементов питания Saft она практически отсутствует.

Говоря об элементах производства компании Saft, стоит отметить и их стабильность при работе с токами и температурами, близкими к максимальным значениям, заявленным в документации. Это гарантирует, что ваше устройство не отключится от внезапной просадки напряжения, как это может происходить при использовании элементов питания менее ответственных производителей.

Устройство и принцип действия литиевых аккумуляторов

Конструкция литиевого аккумулятора во многом сходна с конструкцией литиевых гальванических элементов (рисунок 3). В герметичном корпусе размещены электроды, разделенные пористым сепаратором. Электроды подключены к внешним выводам. Для защиты от перегрузки по току часто применяют встроенные предохранители, а для защиты от взрывов при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации используется предохранительный клапан.

Сейчас в качестве активного вещества в литиевых аккумуляторах выступают различные материалы (графит, соли и окислы металлов). Для получения литиевых аккумуляторов с низкими рабочими температурами применяют кобальт лития.

Основными параметрами аккумуляторов являются:

Рис. 3. Конструкция литиевого аккумулятора

Рис. 3. Конструкция литиевого аккумулятора

  • форма (как правило, цилиндрическая или призматическая);
  • типоразмер (если соответствует стандарту);
  • номинальное напряжение;
  • номинальная емкость;
  • максимальный постоянный ток разряда;
  • максимальный импульсный ток разряда;
  • максимальный ток заряда;
  • срок службы или количество циклов «заряд-разряд»;
  • температурный диапазон разряда;
  • температурный диапазон заряда.

Диапазоны температур заряда и разряда могут существенно отличаться. Температура заряда, как правило, выше. Это чрезвычайно важно в целом ряде случаев. Если коммерческую портативную электронику можно заряжать дома в тепле, а пользоваться на улице, то военное, космическое и промышленное оборудование не всегда имеет такую возможность. Тем не менее, развитие технологий позволяет создавать литиевые аккумуляторы с очень широкими диапазонами рабочих температур и температур заряда. Ярким примером этого является продукция компании Saft.

Литиевые аккумуляторы общего назначения

Компания Saft выпускает четыре типа аккумуляторов общего назначения: VL34570, MP144350, MP174565 Integration™ и MP176065 Integration (рисунок 4, таблица 2). Это литий-кобальтовые аккумуляторы. Их общими отличительными чертами являются: широкий диапазон температур разряда и заряда, высокая энергоемкость (до 178 Вт•ч/кг), длительный срок службы, малый вес. Все представленные элементы имеют встроенную защиту от таких негативных явлений как взрыв при перегреве, короткое замыкание, перезаряд, глубокий разряд.

Рис. 4. Внешний вид литиевых аккумуляторов общего назначения

Рис. 4. Внешний вид литиевых аккумуляторов общего назначения

Таблица 2. Области применения литий-кобальтовых аккумуляторов Saft

Параметр Наименование
VL 34570 MP 144350 MP 174565 Integration™ MP 176065 Integration™
Форма Цилиндр Призма
Типоразмер D
Номинальное напряжение, В 3,7 3,75
Номинальная емкость, А•ч 5,4 2,6 4,8 6,8
Максимальный постоянный ток разряда, А 11 5 10 14
Максимальный импульсный ток разряда, А 21 10 20 30
Максимальный ток заряда, А 5,4 2,6 5 7
Срок службы при глубине разрядки 100%
и температуре 20°C, циклов
500 600
Внешний диаметр, мм 34,2
Толщина, мм 14,6 18,1 18,6
Ширина, мм 43,9 45,5 60,5
Высота, мм 59,43 54,5 68,7 68,7
Стандартный вес, г 125 68 103 143
Температурный диапазон разряда, °C -50…60
Температурный диапазон заряда, °C -20…60°C

Данная группа элементов питания используется, в основном, в коммерческом и специальном оборудовании с повышенными требованиями к надежности: в системах навигации, маломощных системах резервного питания, портативных радиопередатчиках, портативных газоанализаторах и даже электровелосипедах.

Если же диапазон рабочих температур представленных элементов недостаточен, то стоит обратиться к уникальным предложениям от компании Saft: сериям XC, XTD, VL 25500-12 и VL 32600-125.

Литиевые аккумуляторы с расширенным диапазоном рабочих температур

Литиевые аккумуляторы серий MP 176065 Integration™ xc, MP 174565 Integration™xtd, MP 176065 Integration™xtd, VL 25500-12 и VL 32600-125 – уникальные продукты Saft (рисунок 5, таблица 3). Они позволяют разработчикам применять аккумуляторное питание в самых широких температурных диапазонах и даже при экстремально низких температурах.

Рис. 5. Внешний вид аккумуляторов, предназначенных для работы при низких температурах

Рис. 5. Внешний вид аккумуляторов, предназначенных для работы при низких температурах

Таблица 3. Литиевые аккумуляторы с расширенным диапазоном рабочих температур

Параметр Экстремальный холод Увеличенный диапазон температур и срок службы Высокая температура
MP 176065 Integration™ xc MP 174565 Integration™xtd MP 176065 Integration™xtd VL 25500-12 VL 32600-125
Форма Призма Цилиндр
Типоразмер C D
Номинальное напряжение, В 3,65 3,6
Номинальная емкость, А•ч 6,4 4 5,6 2 4,5
Максимальный постоянный ток разряда, А 13 8 11,2 1 2,3
Максимальный импульсный ток разряда, А 26 16 22,4 1,5 3,4
Максимальный ток заряда, А 6,5 4 5,6 0,5 0,9
Срок службы при глубине разрядки 100%
и температуре 20°C, циклов
450 1000 30
Внешний диаметр, мм 24,34 32,05
Толщина, мм 18,6 18,1 18,6
Ширина, мм 60,5 45,5 60,5
Высота, мм 68,7 68,7 68,7 49,2 61,85
Стандартный вес, г 134 97 136 59 139
Температурный диапазон разряда, °C -50…60 -40…85 0…125
Температурный диапазон заряда, °C -30…60 -30…85 0…125

У серий MP 174565 Integration™xtd и MP 176065 Integration™xtd есть три ключевых особенности:

  • диапазон температур заряда достигает -30…85°C. При этом рабочий диапазон температур разряда (-40…85°C) несколько меньше, чем у рассмотренных выше стандартных MP-аккумуляторов (-50…60°C);
  • максимальный срок службы среди всех аккумуляторов Saft – до 1000 циклов заряда-разряда;
  • соответствие требованиям МЭК 60079-11 для взрывоопасных сред.

Основными областями применения данных элементов питания стали системы резервного питания для промышленных приложений, медицинская техника, системы навигации, нефтегазовое оборудование, «Интернет вещей» (IoT), автомобильные приложения.

MP 176065 Integration™ xc используются в различных областях, таких как военные и корабельные системы, нефтегазовое оборудование, профессиональная электроника.

VL 25500-12 и VL 32600-125 – литиевые цилиндрические аккумуляторы, ориентированные на работу в условиях повышенных температур. Главной областью применения этих аккумуляторов стала нефтегазовая сфера и различные системы термической стерилизации.

Стоит отметить, что широким рабочим диапазоном отличаются не только аккумуляторы Saft. В линейке компании присутствует широкий выбор гальванических элементов (батарей), позволяющих работать с еще более широким диапазоном температур до -60 и до 150°C!

Литий-тионилхлоридные батареи Saft

Компания Saft предлагает три серии литий-тионилхлоридных батареq: базовая серия LS, серия LSH с повышенным током разряда и серия LSH20-150 для повышенных температур (рисунок 6, таблицы 4 и 5).

Таблица 4. Стандартные литий-тионилхлоридных батареи серии LS

Параметр Наименование
LS 14250 LS 14500 LS 17330 LS 17330 LS 17500 LS 26500 LS 33600
Типоразмер 1/2 AA AA 2/3 A 2/3 A A C D
Конструкция Бобинная
Номинальное напряжение, В 3,6
Номинальная емкость, А•ч 1,2 2,6 2,1 2,1 3,6 7,7 17
Максимальный постоянный ток, мА 35 50 25 25 100 150 250
Максимальный разрядный импульсный ток, А 0,1 0,25 0,12 0,12 0,25 0,3 0,4
Максимальный внешний диаметр, мм 14,55 14,55 16,5 16,5 17,13 26 33,4
Максимальная высота, мм 25,15 50,3 33,4 33,4 50,9 50,4 61,6
Вес, г 8,9 16,7 14,4 14,4 21,9 48 90
Температурный диапазон, °C -60…85

Таблица 5. Литий-тионилхлоридные батареи для мощных нагрузок и широких диапазонов рабочих температур

Параметр Максимальный ток Высокая температура
LSH 14 Light LSH 14 LSH 20 LSH 20-HTS LSH 20-150
Типоразмер C C D D D
Конструкция Рулонная
Номинальное напряжение, В 3,6
Номинальная емкость, А*ч 3,6 5,8 13 11 14
Максимальный постоянный ток, А 1,3 1,3 1,8 1 0,3
Максимальный разрядный импульсный ток, А 2 2 4 3 0,5
Максимальный внешний диаметр, мм 26 26 33,4 33,4 32,05
Максимальная высота, мм 50,4 50,4 61,6 61,6 61,7
Вес, г 51 51 100 100 104,5
Температурный диапазон, °C -60…85 -60…85 -40…150

Рис. 6. Внешний вид литий-тионилхлоридных батарей Saft

Рис. 6. Внешний вид литий-тионилхлоридных
батарей Saft

Батареи серии LS имеют бобинную структуру и предназначены для длительных сроков службы при небольших разрядных токах от десятков до нескольких сотен микроампер. Их следует выбирать для маломощных потребителей, чтобы обезопасить себя от негативного эффекта пассивации.

Существует широкий выбор типоразмеров от 1/2 AA с емкостью 1,2 А•ч (LS14250), до D с емкостью 17 А•ч (LS33600)

Батареи LSH отличаются рулонной конструкцией и повышенным максимальным разрядным током. Например, для LSH-20 постоянный ток достигает 1,8 А, а кратковременный – 4,0 А.

Батареи LSH 20-150 предназначены для работы в расширенном диапазоне температур -40…150°C в составе малопотребляющих устройств (постоянный ток разряда – до 300 мА).

Важным достоинством литий-тионилхлоридных батарей производства компании Saft является минимальный саморазряд, незначительная пассивация и высокий уровень безопасности.

Литий-диоксидмарганцевые батареи Saft

Компания Saft выпускает литий-диоксидмарганцевые батареи, которые можно разделить на четыре группы: базовая группа батарей серии M, батареи с повышенным током M HR, батареи для взрывоопасных сред M EX, мощные батареи серии LM (рисунок 7, таблицы 6, 7, 8). Для них характерны следующие особенности:

  • рулонная конструкция;
  • номинальное напряжение: 3 В;
  • различные типоразмеры от 1/3 А с емкостью 0,5 А•ч (LM 17130) до типоразмера DD с емкостью 33 А•ч (M 62);
  • пиковый ток: до 8 А (LM 33600);
  • диапазон рабочих температур: -40…70°C;
  • минимальные саморазряд и потеря емкости в течении срока службы;
  • доступность моделей, соответствующих требованиям по взрывобезопасности МЭК 60079-11 (M 52 Ex, M 20 Ex);
  • минимальный уровень пассивации.

Рис. 7. Литий-диоксидмарганцевые батареи Saft серии M

Рис. 7. Литий-диоксидмарганцевые батареи Saft серии M

Таблица 6. Литий-диоксидмарганцевые батареи серии M

Параметр Наименование
M51 M52 M 56 M 19 M 20 M 62
Типоразмер 2/3 C C 5/4 C Short D D DD
Конструкция Рулонная
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная емкость, А•ч 3,2 5,6 6,7 10,3 12,6 33
Максимальный постоянный ток, А 1 2 2,5 3 3,5 6
Максимальный разрядный импульсный ток, А 2,5 4 6 7,5 8 12
Максимальный внешний диаметр, мм 26,2 26,2 26,2 33,5 34,2 42,5
Максимальная высота, мм 35,3 51,5 61,5 58,5 61,5 133
Вес, г 38 58 70 105 117 355
Температурный диапазон, °C -40…70

Таблица 7. Литий-диоксидмарганцевые батареи Saft серий M HR и M EX

Параметр Повышенный выходной ток ATEX (взрывоопасная среда)
M 52 HR M 19 HR M 20 HR M 24 HR M 52 Ex M 20 Ex
Типоразмер C Short D D Big DD C D
Конструкция Рулонная
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная емкость, А•ч 4,8 10,3 11,5 20 5,6 12,4
Максимальный постоянный ток, А 2 4 4 6 2 3,5
Максимальный разрядный импульсный ток, А 5 10 10 12 4 8
Максимальный внешний диаметр, мм 26,2 33,5 34,2 33,5 26,2 34,2
Максимальная высота, мм 51,5 58,5 61,5 110,5 51,5 61,5
Вес, г 59 107 117 201 58 115
Температурный диапазон, °C -40…70
Таблица 8. Литий-диоксидмарганцевые батареи Saft серии LM
Параметр Наименование
LM 17130 LM 17500 LM 26500 LM 33600
Типоразмер 1/3 A A C D
Конструкция Рулонная
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная емкость, А•ч 0,5 3 7 13
Максимальный постоянный ток, А 0,3 1,5 2 4
Максимальный разрядный импульсный ток, А 0,4 2 4 8
Максимальный внешний диаметр, мм 16,7 17,5 26,2 34,2
Максимальная высота, мм 16,33 51,5 51,5 61,5
Вес, г 8 28 60 114
Температурный диапазон, °C -40…70

Основными областями применения батарей этого сегмента стали радиопередатчики, счетчики потребления, системы безопасности, системы навигации и маршрутизации, GSM/GPRS-приемопередатчики. Батареи M HR используются в тех же областях, но для более мощных приложений.

Батареи серии M EX применяют в сверхответственных приложениях: в промышленных счетчиках энергии, в нефтегазовой отрасли, в тех приложениях, которые требуют высокого уровня безопасности.

Заключение

Компания Saft выпускает широкий спектр литий-тионилхлоридных, литий-диоксид-марганцевых и литий-ионных аккумуляторов.

Элементы питания Saft характеризуются высокой удельной емкостью и значительными разрядными токами. Кроме того, их отличительными чертами являются широкий диапазон рабочих температур, минимальная пассивация батарей, высочайшая стабильность даже при работе с токами и температурами, близкими к максимальным значениям.

Отдельно стоит отметить серии уникальных аккумуляторов MP174565 Integration xtd и MP176065 Integration xtd с допустимым температурным диапазоном заряда -30…85°C. А так же серию MP176065 Integration xс, предназначенную для экстремально низких температур и способную работать в диапазоне -50…60°C и заряжаться в диапазоне -30…60°C.

Это позволяет разработчикам использовать аккумуляторное и батарейное питание даже в тех сферах, где ранее применение ХИТ было ограничено: в военной технике, нефтегазовом оборудовании, энергетике, корабельном и морском оборудовании и других.

Литература

  1. http://www.saftbatteries.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

SAFT_NE_03_16

•••

Наши информационные каналы

О компании SAFT

Французская компания SAFT является общепринятым в мире ведущим разработчиком и производителем батарей и аккумуляторов на основе лития для промышленного, военного и космического применения. Продукция компании отвечает самым жестким требованиям по надёжности, безопасности и экологичности. История существования компании приближается к вековому юбилею- компания была основана в 1918 году. Первый международный патент на литиевые батареи был получен в 1965 году и с тех пор происходит неуклонное разв ...читать далее