Литиевые батарейкиОсобенности литиевых батареекИсточники тока с более высокими энергетическими характеристиками и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей были разработаны при отказе от водных электролитов. Самые большие успехи были достигнуты при разработке литиевых элементов с органическим и твердым электролитом.Первые работы по применению лития в качестве анодного материала в источниках тока появились в начале XX века, но реальное развитие они получили в 60-ых годах. Изучались источники тока с твердофазными (MnO2, CuO, I2, CFx, FeS2 и другие) и жидкофазными катодными материалами (SO2 и SOCl2). Основные характеристики литиевых элементов более всего распространенных систем показаны в таблице, ниже описаны их особенности и показаны рабочие характеристики.
Литиевые батарейки в настоящее время в ряде областей техники успешно конкурируют с более дешевыми элементами с водным электролитом. Их применяют в часах, фотокамерах, калькуляторах, для защиты памяти интегральных схем, в измерительных приборах и медицинском оборудовании, там, где требуется высокая сохранность и постоянство рабочего напряжения в течение многих лет эксплуатации. Существуют и мощные источники тока, способные к отдаче импульсов большой энергии даже после 10-12 лет хранения. К герметизации литиевых батареек предъявляются повышенные требования, так как должна быть исключена вероятность не только вытекания электролита, но и попадания внутрь воздуха и паров воды, из-за чего возникает угроза пожара или взрыва элемента. Высокая реактивность лития, воздействие влажности воздуха на состояние электродов и электролита определяют и повышенные сложности при производстве элементов, необходимость проведения технологических действий в герметичных блоках с атмосферой аргона и "сухих" помещениях. Литиевые элементы, цилиндрические и дисковые, производятся 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 выше. Многие компании часто стараются уменьшить эту опасность и поставляют элементы с приваренными нестандартными выводами в виде плоских лепестков, аксиальных иглообразных штырьков для впаивания элементов в схему и т.п.
Основные электрохимические системы литиевых элементовИсточники тока на базе системы литий/диоксид марганца (Li/MnO2)Элементы Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца появились на рынке первичных литиевых источников тока одними из первых. В соответствии со стандартом МЭК в обозначении типа элемента Li/MnO2 присутствуют буквы CR.. Реакция для этой системы записывается в виде:
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) элемента Li/MnO2 - 3,5В, номинальное напряжение - 3В, хотя первоначальное напряжение при подключении нагрузки может быть и немного выше. Конечное напряжение - 2В. Рабочий диапазон температур как правило от -20 до +55 °С. Срок хранения - до 10 лет при саморазряде порядка 1% в год (и не более 2-2,5%).
Источники тока на основе системы литий/оксид меди (Li/CuO) При разряде имеет место реакция:
Элемент Li/CuO работоспособен в интервале температур от -10 до +70 °С. Срок хранения элементов при 20 °С - до 10 лет. Элементы широкого распространения не получили.
Источники тока на базе системы литий/иод (Li/I2) Работа источника тока Li/I2 основана на реакции:
НРЦ элемента - 2,8В. Напряжение его определяется сопротивлением слоя иодида лития, который по мере разряда постепенно накапливается в межэлектродном пространстве и вызывает линейное снижение напряжения до 2,2-2,4В. Когда весь запас йода закончится, напряжение резко падает. Элементы обеспечивают сохранность в течение 10-15 лет при саморазряде около 10% за весь срок службы. Саморазряд определяется реакцией лития и йода, который диффундирует через слой йодида лития. Потери на саморазряд зависят от толщины слоя LiI и поэтому в наибольшей степени имеют место на начальной фазе работы: все потери на саморазряд проявляются при разряде не более чем на 25-30%. При работе элементов Li/I2 не образуется газов. Общий объем их постоянен в течение всего периода работы. Они переносят значительные нарушения условий эксплуатации без каких-либо последствий. Специфичный механизм работы элемента и его характеристики делают его пригодным для выполнения задач, требующих повышенной надежности. Источники тока с емкостью порядка нескольких ампер-часов применяются в устройствах для медицинских применений, прежде всего имплантируемых кардиостимуляторов. Они работоспособны в интервале температур от -10 до +60 °С.
Источники тока на основе системы литий/полифторуглерод Токообразующая реакция имеет вид:
НРЦ элемента составляет 3,2-3,3В, рабочее напряжение постоянно на протяжении почти всего разряда в широком интервале температур (от -40 до +85 °С). Конечное напряжение -2В. Элементы теряют не более 20% Сн, при хранении более 10 лет. Литий-фторуглеродные элементы были коммерциализированы более 30 лет назад и в настоящее время применяются главным образом в качестве источников питания портативной электронной аппаратуры, особенно такой, которая разогревается в ходе работы. Но при температуре ниже 0 °С и средних и больших токах разряда эти элементы уступают более дешевым элементам системы Li/MnO2. Элементы Li/CFx обеспечивают гораздо более высокую мощность, чем элементы системы Li/I2, и поэтому успешно используются для их замены в кардиостимуляторах нового поколения, а также в имплантируемых дефибрилляторах.
Источники тока на базе системы литий/дисульфид железа (Li/FeS2) Реакция, протекающая при их разряде, имеет вид
В конструкцию этих источников питания обязательно вводятся элементы защиты для ограничения тока непрерывного потребления (2А для элементов типоразмера АА) и устройство с положительным температурным коэффициентом сопротивления, отсоединяющим нагрузку при достижении температуры 85-95 °С. Кроме того, элементы имеют аварийный клапан для сброса давления газа, которое может появиться при их разогреве до 130-160 °С.
Источники тока на основе системы литий/диоксид серы (Li/SO2) Электрохимическая реакция, которая протекает в элементе при подключении нагрузки, имеет вид:
К недостаткам Li/SO2 элементов относятся большое внутреннее давление и опасность сильного нагрева при коротких замыканиях. Для предотвращения нежелательных эффектов в корпусе устанавливают специальный предохранитель, который срабатывает при 100 °С и обеспечивает сбрасывание излишнего давления газа. Из-за повышенного давления элементы производятся чаще всего в цилиндрической конструкции, бобинной и рулонной. В первом случае литиевый анод запрессовывается по периферии, а прессованный угольный катод располагается в центре. При рулонной сборке пакета электродов обеспечиваются более высокие энергетические характеристики. Срок хранения батареек Li/SO2 - до 10 лет. Саморазряд происходит за счет реакции лития с электролитом, скорость его не превышает 1-2 % в год при 20 °С.
Источники тока на базе системы литий/тионилхлорид (Li/SOCl2) Реакция, протекаемая при разряде, имеет вид:
НРЦ элементов - 3,67 В, рабочее напряжение 3,3-3,5 В в зависимости от тока разряда. Они работоспособны в интервале температур от -60 до +85 °С, некоторые до +130 °С. Конструкция элементов Li/SOCl2 подобна конструкции элементов Li/SO2, но тионилхлорид значительно агрессивнее других электролитов, вследствие этого обеспечение их пожаро- и взрывобезопасности потребовало больших усилий и от разработчиков, и от технологов. Срок хранения этих элементов до 10 лет при саморазряде 1,5-2% в год при 20 °С. При низкой температуре (порядка -50 °С) элементы отдают емкость в несколько раз меньше номинальной. Если после этого они переносятся в теплое помещение, разряд продолжается и может иметь место существенный их разогрев за счет разложения промежуточных продуктов реакции вплоть до взрыва. Для увеличения безопасности эксплуатации, литиевые элементы могут быть снабжены аварийными клапанами для сброса газа, плавкими предохранителями, тепловыми выключателями.
В случаи использования содержимого сайта, необходимо ставить активные ссылки на данный сайт видимые посетителями и поисковыми роботами.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||