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 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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
Все разнообразие литиевых современных источников энергии и о том, как заряжать литиевую батарейку представлено на видео.
Свойства, обусловленные литием.
Типы батареек с положительными электродами из различных материалов.
-Железодисульфидные.
-Диоксид марганца.
-Тионилхлорид.
-Диоксид серы.
-Полимонофторуглерод.
Депассивация
Правила обращения и меры предосторожности.СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛИТИЕМ
Батарейки с литиевым отрицательным электродом выпускаются в цилиндрическом, дисковом и призматическом корпусах.
Производство литиевых батареек началось в семидесятых годах в нескольких странах. Наилучшие результаты удалось получить при использовании лития в сочетаниях с твердыми и органическими электролитами. Улучшить эксплуатационные и энергетические параметры позволил отказ от водного электролита.
Литий в слитках в виде секторной формы. При обычных условиях литий реагирует с кислородом и азотом воздуха, покрываясь пленкой темного цвета.
Литий – мягкий, пластичный металл, расположен первым в ряду электродных потенциалов. Его электродный потенциал составляет – 3,045 вольта. Подробнее об электродных потенциалах рассказано в статье “Разность электродных потенциалов – возможность работы батарейки”. Это позволяет создавать батарейки напряжением около трех вольт, что упрощает реализацию питания многих приборов. Одна литиевая батарейка может заменить две щелочных или солевых. Напряжение 3 вольта литиевой батарейки, вместо привычных 1,5 вольт кроме преимуществ имеет недостатки в виде некоторых особенностей применения. Литиевые батарейки производятся в стандартных корпусах, поэтому с их появлением требуется внимательно проверять напряжение устанавливаемых батареек. Литий самый легкий металл. Батарейки, имеющие литиевые электроды на одну треть легче щелочных батареек. Химически литий очень активен. Эти свойства лития позволяют создавать химические источники тока минимальных размеров и массы. Главное преимущество литиевых источников тока – очень высокая плотность энергии, гарантирующая большой заряд. Это позволяет литиевым батарейкам обеспечивать наибольшую продолжительность работы по сравнению с другими химическими элементами. Также среди преимуществ этого типа батареек работа в условиях экстремальных температур.
Литиевые электроды во всех электролитах покрываются пассивной пленкой толщиной несколько нанометров. Пленка обладает свойствами твердого электролита, проводящего ионы лития. Образование пленки предотвращает самопроизвольную реакцию литиевого электрода с электролитом, поэтому литиевые элементы имеют низкий саморазряд. Снижения заряда составляет 1-2 % в год. Срок хранения литиевых батареек составляет 10 лет, а некоторых типов до пятнадцати лет. При различных токах разряда емкость батареек почти не изменяется. В начале работы батарейки желательно провести депассивацию, разрушающую пленку на литиевом электроде.
Недостатком батареек является высокая цена из-за используемого лития, но с течением времени потребление этого типа батареек будет возрастать, а с увеличением добычи и переработки лития цена будет снижаться. Большая часть лития добывается в восьми странах.
Добыча лития.
Объем запасов лития на территории России приблизительно оценивается как 1 миллион тонн. Более половины сосредоточенно в месторождениях Мурманской области. Производителями лития и его солей в Росси являются Новосибирский завод химконцентратов и Красноярский химико-металлургический завод.
Литий способен вызвать ожоги из-за постоянно присутствующей на коже влаги. Работать с литием можно только в защитной одежде и очках. Высокая активность лития усложняет технологию производства батареек. Хранить литий можно только под слоем минерального масла. Для уничтожения отходов лития их обрабатывают этиловым спиртом.
В литиевых батарейках цилиндрической формы используются электроды ленточного типа. Преимущества рулонной конструкции электродов: низкое сопротивление и сниженный нагрев. Такая конструкция позволяет увеличить ток разряда батарейки.
Рулонные электроды цилиндрической литиевой батарейки. Для отрицательного электрода используется литиевая фольга.
Батарейки обладают высокой степенью герметичности, для повышения безопасности эксплуатации в конструкцию входят клапаны, предотвращающие критическое повышение давления. Производство происходит в герметичных объемах в сухой атмосфере инертных газов. В этих батарейках нет вредных веществ, содержащихся в других типах. Исключено содержание ртути, кадмия, свинца.
Применяются в компьютерах, промышленной автоматике, медицинских приборах, различных переносных и карманных устройствах, электронных часах и играх, измерительных приборах, счетчиках расхода газа, фото и видеотехнике и во многих других областях, где востребована герметичность батареек и эксплуатация в течении многих лет.
В последние годы усиливается интерес к литиевым батарейкам, имеющим твердый положительный электрод, изготовленный из дисульфида железа FeS2 (пирит). Благодаря химическому составу этот тип батареек имеет напряжение 1,5 вольта, в отличии от других литиевых источников питания, что позволяет их использовать вместо устаревших типов батареек с водным электролитом. При разряде литий отрицательного электрода превращается в сульфид лития. Цилиндрическая батарейка содержит электроды рулонной конструкции. При изготовлении положительного электрода натуральный пирит, размельченный и смешенный с графитом размещается на пленочном токоотводе. После установки в корпус батарейки ленточных электродов производят заполнение электролитом и герметизируют корпус. В состав батарейки входит терморезистор, ограничивающий ток через батарейку при ее нагреве. Сохранность батареек 15 лет и более. Работоспособность сохраняется при понижении температуры до – 40 °С.
Железосульфидная батарейка Energizer L91 и ее разряд током 1 ампер при температуре 21 °C.
Железосульфидная батарейка Duracell LF1500 и ее разряд током 1 ампер при температуре 21 °C.
Литий-железодисульфидные батарейки предназначены для использования в режиме токов разряда 0,5 ампер, выпускаются в цилиндрическом и дисковом корпусе. О дисковом исполнении литиевых батареек рассказано в статье “Конструкция батареек”.
Наиболее распространен и изучен из литиевых батареек тип, имеющий твердый положительный электрод, изготовленный из термообработанного диоксида марганца MnO2. В результате реакции разряда образуется оксид лития. Этот тип батареек в наименовании имеет буквы СR. Напряжение составляет 3 вольта. Батарейки сохраняют работоспособность до десяти лет, могут отдавать большой ток и имеют значительную емкость. К этому типу принадлежит батарейка "Корунд" напряжением 9В, состоящая из трех элементов.
Корпус батарейки выполнен из нержавеющей стали. Мембрана, разделяющая электроды, выполнена из полипропилена.
Конструкция диоксид марганцевой Конструкция катушечной диоксид
батарейки со спиральными электродами, марганцевой батарейки, герметизация герметизация крышки закатыванием. крышки лазерной сваркой
Батарейки со спиральными электродами имеют закатанную крышку или приваренную лазером, батарейки катушечной конструкции имеют крышку, приваренную лазером.
Закатанная крышка батарейки. Крышка батарейки приварена лазером.
Диапазон температуры Батарейки работают в интервале
эксплуатации от – 20 до 60 °C. температуры от – 40 до 85 °C.
Для защиты от перегрева и короткого замыкания в конструкции закатанной батарейки присутствует терморезистор с положительной температурной характеристикой. При нагревании его сопротивление увеличивается незначительно, но при достижении температурой значения 85 °C сопротивление резко возрастает, что приводит к снижению тока через батарейку до минимального значения.
Расположение терморезистора в конструкции положительного полюса батарейки.
Батарейки катушечного типа в цилиндрическом корпусе рекомендуются для применения в устройствах с низким потреблением мощности: 5 миллиампер при непрерывном потреблении и 20 миллиампер в импульсном режиме. Это могут быть резервные запоминающие устройства, часы, календари, счетчики воды, счетчики газа, автомобильная электроника. Батарейки со спиральными электродами предназначены для токов непрерывного потребления 1,5 ампера, а в импульсном режиме 4 ампера.
Диоксид марганцевая батарейка Varta CR AA катушечной конструкции и разряд нагрузками различного сопротивления при температуре 21 °C.
Батарейки Li/SOCl2 обладают наилучшими удельными характеристики. Тионилхлорид – химически высокоактивная жидкость. При разряде батарейки образуется хлорид лития, диоксид серы и сера. Электролитом является раствор тетрахлоралюмината в тионилхлориде. Диоксид серы большей частью растворяется в электролите, поэтому давление в батарейке не повышается. Основным компонентом пассивной пленки, образующейся на литиевом электроде, является хлорид лития. Материал положительного электрода это пористый углерод, пропитанный тионилхлоридом, таким образом, батарейки этого типа имеют жидкий положительный электрод. Батарейки выпускаются с различными типами выводов аксиальными, ножевыми, гибкими проводами. Благодаря такому положительному электроду батарейки на основе тионилхлорида имеют наибольшее значение удельной энергии среди литиевых батареек. Например, весовая удельная энергия цилиндрической батарейки в корпусе AA катушечной конструкции может достигать 1000 ватт-часов на литр. Напряжение батарейки находится в пределах от 3,3 до 3,6 вольт, хранение до 10 лет при саморазряде 1,5…2 % в год при температуре 20 °С. Батарейки катушечной конструкции предназначены для работы в режиме малых токов и ориентированы на резервное питание запоминающих устройств. Температура работы от – 55 до 85 °C, с применением особого электролита от – 50 до 150 °C. При температуре около – 50 °С емкость снижается в несколько раз ниже номинальной.
Отрицательный электрод изготавливается осаждением лития на внутренней поверхности корпуса. Большую часть объема корпуса батарейки занимает пористый катод. Батарейки предназначены для питания приборов небольшим током в течение длительного времени.
Тионилхлоридная батарейка EEMB ER14250 катушечной конструкции и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Тионилхлоридная батарейка Saft LS14500 катушечной конструкции и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Применение ленточных электродов, упакованных в виде спирали, дает возможность использовать батарейки в режиме повышенных токов. В батарейку введен аварийный клапан давления и плавкий предохранитель для защиты от перегрузки.
Тионилхлоридная батарейка Saft LSH 14, содержащая внутреннюю спиральную конструкцию и характеристики разряда различными токами при температуре 21 °C.
Высокопроизводительные батарейки содержат трихлоралюминий, который растворяет пассивную пленку хлорида лития на отрицательном электроде, но при этом ускоряется коррозия лития.
Батарейки находят применение в запоминающих устройствах, сигнализации, освещении, автомобильной электронике, в бурильном оборудовании, в геотермальных измерениях, радиосвязи и во многих других.
После хранения может потребоваться депассивация. Если после работы в условиях экстремально низкой температуры батарейка попадает в прогретое помещение и разряд продолжается, то возможен разогрев за счет разложения продуктов реакции, который может привести к взрыву.
Батарейки на основе SO2 наиболее универсальны благодаря соответствию различным техническим требованиям, хорошей изученности, накопленному опыту производства и высокой механизации технологических процессов. Обладают стабильным напряжением почти до окончания разряда. Они имеют высокую удельную емкость и способны работать в широком температурном диапазоне от – 60 до 70 °С. Некоторые модели этих батареек могут работать при понижении температуры до – 70 °C. Положительный электрод представляет собой соединение политетрафторэтилена и ацетиленовой сажи. Электролитом батарейки служит диоксид серы с добавками. В результате реакции разряда образуется Li2S2O4. Батарейки выполняются в корпусах с высокой герметичностью. Жидкое состояние диоксида серы обеспечено давлением внутри батарейки в две атмосферы. В конструкции присутствует защитный клапан, снижающий давление, при повышении температуры до значения около 105 °С. Батарейки выпускаются в цилиндрическом корпусе, содержащем катушечное или спиральное исполнение электродов. Напряжение батареек составляет от 2,5 до 2,8 вольта, срок хранения может достигать десяти лет при температуре 20 °С или 1 год при температуре 70 °C. Низкое внутреннее сопротивление даже при низких температурах позволяет использовать этот тип при условиях, исключающих применение других типов батареек: космос, океанология, холодные районы. Батарейки на основе диоксида серы широко применяются в гражданских и военных областях.
Диоксид серная батарейка EEMB LSS26500 и разряд различными токами при температуре 21 °C.
Главным преимуществом этого типа литиевых батареек Li/(CFx )n является высокий энергетический потенциал при температурах 85 °C и даже 125 °C. Батарейки применяются в первую очередь в устройствах, нагревающихся во время работы. Емкость едва заметно снижается после года хранения при температуре 21 °C, а при температуре хранения 90 °C потеря емкости составляет около 2 % в год. При хранении в течение 10 лет батарейки теряют не более одной пятой части емкости. Эти батарейки одни из первых с твердым положительным электродом, появившиеся на промышленном рынке. Удельная энергия полимонофторуглеродной литиевой батарейки достигает 600 ватт-часов на литр. Напряжение работы этих батареек составляет от 2,5 до 2,8 вольта. В процессе реакции фторированный углерод превращается в обычный углерод, происходит рост электропроводности, улучшая условия разряда. Применяются при малых и умеренных токах потребления.
Положительный электрод состоит полимонофторуглерода. Его изготовление происходит при температуре от 300 до 600 °C в атмосфере фтора.
Электролит – раствор гексафторарсената лития в диметилсульфоксиде. В батарейках, выполненных в дисковом корпусе, литиевая фольга расположена на медной решетке, а положительный электрод из политетрафторэтилена и ацетиленовой сажи, находится на решетке из никеля. Батарейки рассчитаны на низкую мощность, выпускаются в корпусах различной формы, успешно используются в запоминающих устройствах, в кардиостимуляторах и в имплантируемых дефибрилляторах. Высокотемпературные дисковые батарейки применяются в автомобильной электронике, в автоматике шлагбаумов и других областях электротехники.
Если предполагается работа в условиях температуры ниже нуля, потребление средних токов, то по цене этот тип батареек не выдерживает конкуренции с более дешевыми литиевыми батарейками, имеющими положительный электрод из диоксида марганца.
Полимонофторуглеродный первичный химический источник питания Panasonic BR1220 и его разряд при различной температуре.
Многочисленные преимущества литиевых батареек омрачает образование пассивной пленки на литиевом электроде. Если для питания часов или пульта телевизора применить литиевые батарейки напряжением 1,5 вольта с расчетным током эксплуатации 0,5 ампер, то возможно прибор будет неуверенно работать после установки весьма дорогих источников питания. Для таких устройств нужно применять литиевые батарейки, предназначенные для работы в режиме малых токов, но на 1,5 вольт маломощные литиевые батарейки для бытовой техники найти сложно. Выход видится в проведении депассивации при установке элементов или каждый раз при включении прибора, если прибор долго не эксплуатировался. Для депассивации нужно подвергнуть батарейки кратковременному импульсу разрядного тока в 10-20 миллиампер. Это мероприятие должно разрушить или ослабить пассивную пленку на литиевом электроде. Если специально предназначенные батарейки устанавливаются в отсек питания прибора с током в десятки миллиампер, то пассивная пленка будет разрушена во время начального периода работы батареек. Для обеспечения депассивации существуют рекомендации производителей литиевых батареек в виде цепей, содержащих конденсаторы. Параллельно батарейке включается конденсатор. При заряде конденсатора происходит кратковременная импульсная нагрузка батарейки. Для универсальности применения различных химических систем батареек, приборы, имеющие батарейное питание можно оснастить конденсаторами, емкостью 0,22…0,68 мкФ, подключенные параллельно батарейкам. Если депассивацию не проводить, то в первое время работы будет наблюдаться провал напряжения. Это приходится наблюдать при установке новой литиевой батарейки в материнскую плату персонального компьютера. Батарейка начинает поддерживать память часов реального времени спустя 2-3 дня после установки. Это время необходимо для разрушения пассивной пленки.
Батарейки запрещается вскрывать, нагревать, сжигать. Следует избегать замыкания полюсов батарейки. Ни в коем случае нельзя пытаться зарядить литиевую батарейку. Устанавливать в прибор, имеющий отсек для нескольких батареек можно батарейки только одного типа и марки. Если обнаружено нарушение корпуса, то батарейки заменить и в дальнейшем не использовать. При установке проверять полярность, ориентируясь на маркировку. Литиевые химические элементы могут иметь конструкцию полюсов, отличающуюся от традиционной конструкции.
Имеют высокие показатели емкости и могут служить гораздо дольше других АКБ, но у них тоже имеются свои специфические особенности, которые стоит учитывать как при эксплуатации, так и в процессе зарядки.
В общих чертах, главные характеристики Li-Ion элементов питания - это постоянство показателей напряжения, высокий уровень емкости и большой энергетический ресурс, обусловленный спецификой их химического состава. Все литиевые батарейки состоят из катода и анода, их друг от друга отделяют диафрагма и сепаратор. Диафрагма имеет специальную органическую пропитку (ниже представлено фото).
Кроме того, емкость Li Ion батареек не имеет зависимости от нагрузочного тока, и именно это обеспечивает их максимально долгий срок службы - гораздо дольше, чем у щелочных, имеющих те же самые характеристики емкости. Элементы питания отличаются длительными сроками хранения и эксплуатации (в лучшем случае, до 12 лет), устойчивостью к высокой и низкой температуре и возможностью их изготовления в разных формах.
Более дешевыми и не менее популярными среди потребителей являются «предшественники» Li Ion АКБ - обычные щелочные батарейки, получившие название (на основании маркировки импортных моделей). Они и по сей день применяются в игрушках для детей, некоторых моделях плееров, бытовых фонариках. Однако они хуже справляются с более высокими нагрузками, и в фотоаппарате или ноутбуке алкалиновые элементы уже будут неэффективными по причине того, что разражаться они будут очень быстро.
Именно литиевые батарейки способны работать при постоянных и высоких нагрузках: любимые человечеством предметы техники на современном этапе используются почти в непрерывном режиме.
Существует множество примеров того, как литий-ионные аккумуляторы хранились долгое время без интенсивного использования, и качество их работы для пользователей не становилось хуже. Например, старый мобильный телефон с Li Ion АКБ, пролежавший в ящике пару лет, вполне может еще поработать, если батарейку хорошо зарядить. Безусловно, со временем показатели емкости у этих элементов заметно уменьшаются. Но поскольку они имеют очень мощный энергетический ресурс, немудрено, что их характеристики уже давно обогнали популярные щелочные аналоги.
Кроме основного элемента (лития), в этих аккумуляторах могут присутствовать и другие химические вещества.
«Начинка» литий-ионного элемента может содержать:
Для широкого использования эти электрохимические различия не играют решающей роли. Важно то, что любое из этих соединений способно обеспечить оптимальную работу электрохимического источника питания.
Также литий-ионные АКБ могут иметь разный внешний вид, в зависимости от исполнения и целей их применения. Например, аккумуляторы 18650 имеют привычную корпусную форму в виде металлических «банок». Они широко применяются в шуруповертах и ноутбуках. Есть элементы прямоугольной формы, которые могут быть совсем плоскими (они устанавливаются в современные виды смартфонов и айфонов), а есть и гель-полимерные аккумуляторы, выполненные в форме блестящих пакетов с повышенным уровнем герметизации (их можно увидеть в планшетах и айпадах).
Номинальное напряжение любой литий-ионной батарейки, независимо от ее химического состава, составляет 3,7 вольт.
Сам литий представляет собой металл, имеющий очень высокую мягкость и пластичность. Именно это в конечном итоге позволило изготавливать тонкие и легкие элементы, столь удобные в эксплуатации и высокие по мощности.
Производить АКБ на основе лития начали еще в 70-х годах ХХ века. Известно, что первые опыты такого производства часто были сопряжены с опасностью - многие батарейки взрывались, часто по причине перегрева или иных казусов, связанных с неправильной эксплуатацией. Со временем специалисты научились изготавливать батарейки, имеющие улучшенные характеристики. Однако обращаться с такими аккумуляторами и по сей день следует очень осторожно.
В сети существует большое количество фото и видео, на которых любители острых ощущений запечатлевали моменты взрыва сотовых телефонов или планшетов. Повторять подобные опыты, конечно же, не рекомендуется.
«Безопасный литий» в облике надежных и емких аккумуляторов получили путем комбинирования лития с твердоорганическими электролитами. К тому же, идея полного отказа от электролита на водной основе позволила получить наиболее емкие и мощные модели. Например, две литиевые батарейки на 3V успешно заменяют четыре или пять алкалиновых, что делает значительно проще эксплуатацию многих приборов в быту. Конечно, высокая химическая активность лития по-прежнему остается потенциальной «гремучей смесью». Особенно в случае беспечного отношения к таким АКБ. Но, в целом, элементы вполне безопасны и по-прежнему очень надежны.
Большую роль в предотвращении перегрева и воспламенения батарейки играет встроенная внутрь каждого элемента защитная плата. Она предотвращает короткие замыкания, переразряд и перезаряд, но главное - возможный перегрев. Безусловно, все литиевые элементы от надежных и проверенных производителей оснащены такой платой, на которой находятся клеммы элемента.
На фото: защитная плата литий-ионного аккумулятора.
Любая плата имеет шестиуровневый контроллер заряда-разряда, который всегда отключит АКБ от нагрузки в том случае, если она полностью разрядилась или, наоборот, если уровень ее заряда достигает показателя в 4,25 вольт.
Иногда спрашивают о том, какие Li Ion АКБ являются самыми современными. В последнее время широко рекламируются элементы Ultimate lithium от Energizer именно как лучшие литиевые батарейки последнего поколения. Они были разработаны для бытовых приборов с высоким уровнем потребления энергии (мощные фонари, фотокамеры, большие говорящие игрушки для детей). Рекламщики утверждают, что Ultimate lithium - это даже не аккумуляторы, а «элементы, которые никогда не нужно будет перезаряжать» - вследствие того, что их мощности хватает больше, чем на 12 лет.
На фото - литиевый аккумулятор Ultimate lithium.
Самый верный способ, который максимально продлит и улучшит их работу, - это двухэтапная зарядка литиевых батареек. Только таким образом АКБ заряжается полноценно, и ее емкость используется в полной мере, без снижения потенциала в течение долгого периода времени.
Как заряжать литиевые аккумуляторы на первом этапе? Только постоянным током, который не должен превышать 0,2-0,5 С (где С - это емкость АКБ). В крайнем случае, можно немного ускорить процесс, увеличив ток максимум до 1,0 С. К примеру, если емкость АКБ составляет 3000 мАч, а начальный ток от 600 до 1500 миллиампер, ускоренный ток должен находиться в пределах 1,5-3 ампер. Конечно, в данном случае должно применяться ЗУ с опцией настройки напряжения. Выражаясь простым языком, на начальном этапе зарядки устройство служит в качестве классического стабилизатора тока.
Важно помнить о том, что все литиевые АКБ оснащены защитной платой. Следовательно, показатель U «на холостом ходу» не должен превышать уровня 7 вольт. Высокое напряжение может погубить плату.
На протяжении процесса зарядки нужно осуществлять постоянный контроль напряжения. При его подъеме до 4,2 вольт следует знать о том, что батарейки восполнили свою емкость примерно на 80 процентов. Теперь нужно перейти к другому этапу зарядки.
Второй (и последний) шаг зарядки должен проводиться с помощью постоянного U, но снижающимся показателем уровня тока. Зарядник поддерживает U в пределах 4,14-4,24 вольт и регулирует ток, который постепенно становится меньше. При снижении показателя тока до 0,05-0,01 С можно считать зарядку завершенной. Остается добавить, что недостающий процент своей емкости, до 100%, аккумуляторы «добирают» в процессе второго этапа.
Если хорошего качества, в нем непременно должно присутствовать отключение от источника питания после завершения процесса зарядки. Для литиевых элементов недопустим перезаряд, потому что они могут из-за него потерять больший процент своей емкости, восполнить которую будет уже невозможно. Следует вовремя снять аккумуляторы с зарядки и не забыть о них.
Как уже было сказано, нельзя допускать перегревания литий-ионных аккумуляторов , например, оставлять гаджеты с ними на солнце или в местах, где возможно воспламенение. Не следует самостоятельно вскрывать такой элемент питания и пытаться их восстанавливать - техника восстановления элементов к ним не должна применяться. Также следует покупать аккумуляторы только у проверенных производителей , чтобы не приобрести «паленые» батарейки, в которых может отсутствовать защитная плата.
Правильная эксплуатация и зарядка обеспечат то, что батарейки будут служить исправно и не потеряют своей емкости в течение долгого времени.
Химические источники тока (ХИТ) прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Практически каждый из нас имел дело с гальваническими элементами, но не каждому эта встреча могла оставить приятные воспоминания. Случалось, что батарейки почему-то работали меньше, чем ожидалось, у них быстро снижалось напряжение, или нагрузка просто отказывалась нормально функционировать с некоторыми типами элементов. В этом случае, как правило, мы считали виноватым производителя элементов и редко допускали, что могла быть и доля нашей собственной вины. Может быть, в данном случае элемент повел себя так, как и должен был? Ведь различные нагрузки нуждаются и в различных источниках тока. Например, фотоаппарат со вспышкой требует кратковременного, но достаточно большого тока, а цифровому аудиоплееру, наоборот, требуется длительный ток небольшой величины.
Если в бытовом применении потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источников тока — для него они просто батарейки и аккумуляторы, то для применения в промышленном оборудовании необходимо обладать полной информацией о существующих источниках и их различиях между собой. Это требуется для того, чтобы избежать возможных ошибок, связанных с неправильным применением источников тока в том или ином приложении.
Химический источник тока — это устройство, непосредственно преобразующее энергию химической реакции, протекающей между анодом и катодом, в электрическую энергию. Все химические источники по способности к повторному использованию подразделятся на две большие группы: первичные источники тока и вторичные источники тока. Первичные источники тока (элементы) обеспечивают только разряд и не могут заряжаться — они используются однократно. Вторичные источники тока (аккумуляторы) могут заряжаться и использоваться многократно в циклическом режиме «заряд-разряд».
В мире производится несколько основных типов химических источников тока (солевые, щелочные, литиевые и др.) и достаточно большое количество их разновидностей, различающихся типом электрохимической системы, электрической емкостью, допустимыми токами разряда и саморазряда, а также — другими параметрами. Некоторые параметры основных типов первичных источников тока приведены в таблице 1 (ориентировочная электрическая емкость указана при непрерывном разряде тока 10 мА).
Таблица 1. Параметры первичных ХИТ
| Типы ХИТ | Рабочее напряжение, В |
Электрическая емкость, мАч |
Диапазон рабочей температуры, °С |
Саморазряд, % в год |
|---|---|---|---|---|
| Солевые (тип корпуса АА) | 1,5 | 1000…1100 | -20…60 | >10 |
| Щелочные (тип корпуса АА) | 1,5 | 2400…2500 | -30…60 | 5…8 |
| Литий-тионилхлоридные (тип корпуса АА) | 3,3…3,6 | 2000…2100 | -55…85 (150) | <1 |
| Литий-диоксидмарганцевые (тип корпуса АА) | 3 | 1500…1600 | -20 (-40)…70 (85) | 2…2,5 |
| Литий-диоксидсерные (тип корпуса АА) | 2,6…2,9 | 800…900 | -55…70 | 1…2 |
До недавнего времени солевые источники тока, имеющие самую низкую стоимость, являлись наиболее распространенными, но, в силу многих присущих им недостатков, в настоящее время неуклонно вытесняются щелочными (Alkaline) и литиевыми.
Определенное сочетание основных параметров определяет то или иное назначение источников тока. Для некоторых задач, где основным фактором выступает первоначальная низкая стоимость электропитания, можно использовать недорогие щелочные, или даже солевые источники тока. Однако для применений, где требуются источники повышенной энергии, обладающие низким током саморазряда и/или длительным сроком службы, следует выбирать другой тип. Наиболее перспективным типом, с учетом указанных параметров, в настоящее время являются литиевые источники.
Литиевые источники тока производятся в различных форм-факторах («таблетка», цилиндрические, призматические (рисунок 1)) в виде элементов и аккумуляторов, которые, в свою очередь, различаются типом электрохимической системы и некоторыми основными параметрами:
Первичные источники тока
(элементы)
Вторичные источники тока
(аккумуляторы)
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:
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:
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.
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.
Существуют такие виды литиевых аккумуляторов, которые встречаются в разных сферах бытового и промышленного хозяйства:
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.
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.
В нем могут быть установлены три вида аккумуляторов, которые отличаются по своему катодному составу:
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.
Именно от технических характеристик зависит работа шуруповерта, состояние его мощности, время возможного функционирования. Среди остальных технических показателей выделяют:
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:
При использовании аккумулятора необходимо придерживаться таких правил:
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.
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.
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.
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.
