№3 / 2013 / статья 7

Химические источники тока на все случаи жизни: литиевые батарейки

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

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/SOCl2);
  • литий-диоксидмарганцевые (Li/MnO2);
  • литий-диоксидсерные (Li/SO2);


вторичные источники тока
(аккумуляторы)

  • литий-полимерные (Li/Polimer)
  • литий-железофосфатные (Li/FePO4);
  • литий-ионные (Li/Ion).

Внешний вид первичных ХИТ    Внешний вид первичных ХИТ

Рис. 1. Внешний вид первичных ХИТ

 

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/MnO2) и литий-диоксидсерных (Li/SO2) 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).

 

Разрядные кривые ХИТ

 

Рис. 2. Разрядные кривые ХИТ

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/дм3). 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/SOCl2). 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.

 

Напряжение на элементе в процессе депассивации

 

Рис. 3. Напряжение на элементе в процессе депассивации

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  

Наименование Ток активации макс., мА Срок хранения/время активации, с Напряжение после
депассивации, В
Производитель
3 месяца 6 месяцев 12 месяцев
ER14250 80   15   30   60   >3,0   EEMB  
ER14505 200  
ER26500 260  
ER34615 460  
ER14505M 1000  
ER26500M 2000  
ER34615M 3000  

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).

Варианты выводов для элементов таблеточного типа

Рис. 4. Варианты выводов для элементов таблеточного типа

 

 

Варианты выводов для элементов цилиндрического типа

 

Рис. 5. Варианты выводов для элементов цилиндрического типа

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: ac-dc-ac.vesti@compel.ru

 

 

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

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании EVE Energy

EVE Energy Co., Ltd является одним из лидеров в разработке и производстве литиевых элементов питания. Ее основные продукты производства - это литиевые батареи на основе электрохимической системы литий тионилхлорида (Li/SOCl2) и литий диоксида марганца (Li/MnO2), а так же предоставление профессиональных OEM решений и услуг сборки элементов в блоки по индивидуальным проектам. Высокое качество и надежность элементов питания EVE, подтверждается многолетним опытом работы с использованием передовог ...читать далее