Хімічні джерела струму на всі випадки життя: літієві батарейки

  1. Про компанію EVE Energy

Хімічні джерела струму (ХДС) міцно увійшли в наше повсякденне життя. Практично кожен з нас мав справу з гальванічним елементами, але не кожному ця зустріч могла залишити приємні спогади. Траплялося, що батарейки чомусь працювали менше, ніж очікувалося, у них швидко знижувався напруга, або навантаження просто відмовлялася нормально функціонувати з деякими типами елементів. У цьому випадку, як правило, ми вважали винуватим виробника елементів і рідко допускали, що могла бути і частка нашої власної провини. Може бути, в даному випадку елемент повівся так, як і повинен був? Адже різні навантаження потребують і в різних джерелах струму. Наприклад, фотоапарат зі спалахом вимагає короткочасного, але досить великого струму, а цифровому аудіоплеєр, навпаки, потрібно тривалий струм невеликої величини.

Якщо в побутовому застосуванні споживач рідко звертає увагу на відмінності використовуваних хімічних джерел струму - для нього вони просто батарейки та акумулятори, то для застосування в промисловому устаткуванні необхідно мати повну інформацію про існуючі джерела та їх відмінностях між собою. Це потрібно для того, щоб уникнути можливих помилок, пов'язаних з неправильним застосуванням джерел струму в тому чи іншому додатку.

Хімічне джерело струму - це пристрій, безпосередньо перетворює енергію хімічної реакції, що протікає між анодом і катодом, в електричну енергію. Всі хімічні джерела по здатності до повторного використання підрозділяться на дві великі групи: первинні джерела струму і вторинні джерела струму. Первинні джерела струму (елементи) забезпечують тільки розряд і не можуть заряджатися - вони використовуються одноразово. Вторинні джерела струму (акумулятори) можуть заряджатися і використовуватися багаторазово в циклічному режимі «заряд-розряд».

У світі виробляється кілька основних типів хімічних джерел струму (сольові, лужні, літієві і ін.) І досить велика кількість їх різновидів, що розрізняються типом електрохімічної системи, електричної ємністю, допустимими струмами розряду і саморозряду, а також - іншими параметрами. Деякі параметри основних типів первинних джерел струму наведені в таблиці 1 (орієнтовна електрична ємність вказана при безперервному розряді струму 10 мА).

Таблиця 1. Параметри первинних ХІТ

Типи ХІТРобоча
напруга, ВЕлектрична
ємність, мАгДіапазон
робочої температури, ° ССаморозряд,
% В рік

Сольові (тип корпусу АА) 1,5 1000 ... 1100 -20 ... 60> 10 Лужні (тип корпусу АА) 1,5 2400 ... 2500 -30 ... 60 5 ... 8 Літій-тіонілхлорідние (тип корпусу АА) 3, 3 ... 3,6 2000 ... 2100 -55 ... 85 (150) <1 Літій-діоксідмарганцевие (тип корпусу АА) 3 1500 ... 1600 -20 (-40) ... 70 (85) 2 ... 2,5 Літій-діоксідсерние (тип корпусу АА) 2,6 ... 2,9 800 ... 900 -55 ... 70 1 ... 2

До недавнього часу сольові джерела струму, що мають найнижчу вартість, були найбільш поширеними, але, в силу багатьох властивих їм недоліків, в даний час неухильно витісняються лужними (Alkaline) і літієвими.

Певне поєднання основних параметрів визначає те чи інше призначення джерел струму. Для деяких завдань, де основним фактором виступає первісна низька вартість електроживлення, можна використовувати недорогі лужні, або навіть сольові джерела струму. Однак для застосувань, де потрібні джерела підвищеної енергії, що володіють низьким струмом саморозряду і / або тривалим терміном служби, слід вибирати інший тип. Найбільш перспективним типом, з урахуванням зазначених параметрів, в даний час є літієві джерела.

Літієві джерела струму виробляються в різних форм-факторах ( «таблетка», циліндричні, призматичні (рисунок 1)) у вигляді елементів і акумуляторів, які, в свою чергу, розрізняються типом електрохімічної системи і деякими основними параметрами:


первинні джерела струму
(Елементи)

  • літій-тіонілхлорідние (Li / SOCl2);
  • літій-діоксідмарганцевие (Li / MnO2);
  • літій-діоксідсерние (Li / SO2);


вторинні джерела струму
(Акумулятори)

  • літій-полімерні (Li / Polimer)
  • літій-залізофосфатні (Li / FePO4);
  • літій-іонні (Li / Ion).

літій-полімерні (Li / Polimer)   літій-залізофосфатні (Li / FePO4);   літій-іонні (Li / Ion)

Мал. 1. Зовнішній вигляд первинних ХІТ

Загальним для всіх цих джерел є те, що анод у них виконаний з металевого літію. За своїми хімічними властивостями металевий літій є одним з найбільш активних елементів і, до того ж, він має найвище негативним потенціалом по відношенню до всіх металів. Використовуючи цей матеріал в якості анода, вдалося досягти того, що літієві елементи мають найбільшу номінальну напругу при мінімальних габаритах і характеризуються найвищим значенням питомої щільності енергії в порівнянні з джерелами інших типів. Спільним є також і те, що, володіючи найбільшою питомою щільністю енергії, елементи цього типу в основному призначені для роботи з навантаженнями, які вимагають невеликого або середнього розрядного струму. Можливо, що з цієї причини, а також - через вартість, вони поки не змогли повністю витіснити з ринку лужні елементи, допускають підвищені струми розряду. Але розвиток літієвих елементів триває і виробники цього виду продукції, наприклад, такі відомі компанії, як EEMB, EVE Energy, випускають елементи з великими розрядними струмами від сотень міліампер до декількох ампер.

У групі літієвих елементів найбільш налагоджено виробництво літій-діоксідмарганцевих (Li / MnO2) і літій-діоксідсерних (Li / SO2) елементів, тому вони є наймасовішими і доступними за вартістю. Серед цієї продукції є вироби, що допускають підвищені струми розряду. Це елементи, виконані по так званій спіральної технології. При цій технології анод виготовляється у вигляді спіралі, чим досягається максимальна площа поверхні взаємодії між анодом і катодом і виріб здатний на підвищену віддачу струму. Літій-діоксідмарганцевие елементи характеризуються малим струмом саморозряду, високою надійністю і терміном зберігання понад 10 років. Так звані елементи «таблеткового» типу в основному виготовляються саме цих двох електрохімічних систем.

Деякі найбільш затребувані літій-діоксідмарганцевие елементи приведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Літій-діоксідмарганцевие елементи

НайменуванняТип
корпусуРобоча напруга, ВНом.ємність, мАгСтрум
розряду, мАСтрум розряду
макс., мАРозміри, ммТемпе-ратурний діапазон, ° СВироби, водійпост.імп.діаметрвисотаЦиліндричні з підвищеним струмом розряду 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 З 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 таблеткового типу 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 Циліндричні підвищеної ємності 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

Тут і далі по тексту номенклатура, зазначена в таблицях, приведена в обмеженому обсязі. Для більш повної інформації по всій продукції, що випускається необхідно звертатися безпосередньо на сайт виробника або в КОМПЕЛ.

Елементи з електрохімічної системою «літій-діоксид сірки» мають досить високу питому потужність і працездатні в діапазоні температур 55 ... 70 ° С; розрядна напруга становить 2,6 ... 2,9 В (в залежності від щільності струму). Напруга має дуже хорошу стабільність при розряді в порівнянні з літій-діоксид марганцевих елементом до тих пір, поки елемент не розрядиться повністю. Потім напруга різко зменшується (малюнок 2).

Мал. 2. Розрядні криві ХІТ

До недоліків цього виду елементів можна віднести підвищений внутрішній тиск і небезпека сильного нагріву при короткому замиканні. Для запобігання небажаних наслідків, які можуть виникнути в цьому випадку, в корпусі елемента встановлюється спеціальний запобіжник, що скидає при нагріванні надлишковий тиск.

Кілька типів літієвих елементів системи «літій-діоксид сірки» розглянуті в таблиці 3.

Таблиця 3. Літій-діоксідсерние елементи

НайменуванняТип
корпусуРобоча напруга, ВНомінальна ємність, мАгСтрум
розряду, мАСтрум розряду
макс., мАРозміри, ммТемпературний діапазон, ° СВиробникпост.імп.діаметрвисота 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 літієві елементи по відношенню до інших типів елементів мають ряд дуже важливих переваг (таблиця 1). Основне з них - згадувана раніше висока питома щільність енергії. Питома щільність енергії - це відношення енергії елемента до його маси чи обсягу, виражене в Ватт-годинах на одиницю маси або обсягу (Вт.ч / кг або Вт.ч / дм3). Джерела струму з більшою питомою щільністю енергії при рівних габаритних розмірах з джерелами інших типів дозволяють забезпечити харчуванням навантаження протягом більш тривалого часу. Як видно з таблиці 1 і малюнка 2, найвищим значенням питомої щільності енергії мають літій-тіонілхлорідние елементи (Li / SOCl2). Крім того, елементи цього типу мають широкий робочий температурний діапазон -55 ... 85 ° С, що допускає їх експлуатацію в жорстких умовах, і володіють дуже хорошою стабільністю напруги при розряді (малюнок 2). Окремо потрібно виділити наявність елементів з розширеним робочим температурним діапазоном в області верхнього значення -20 ... 125/150 ° С, а також - елементів, що допускають підвищені струми розряду (таблиця 4).

Таблиця 4. Літій-тіонілхлорідние елементи

НайменуванняТип
корпусуРобоча напруга, ВНомінальна ємність, мАгСтрум
розряду, мАСтрум розряду
макс., мАРозміри, ммТемпературний діапазон, ° СВиробникпост.імп.діаметрвисотаПідвищеною ємності циліндричні 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 З 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 З підвищеним струмом розряду циліндричні 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 З розширеним температурним діапазоном циліндричні 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

Наступною важливою перевагою групи літієвих елементів є надмалих ток саморозряду (втрата 1 ... 2,5% ємності в рік). Завдяки настільки малій втраті ємності розглянуті типи елементів можуть зберігатися в звичайних умовах більше 10 років, при цьому ємність знизиться всього на 10%. Найменшим струмом саморозряду, як видно з таблиці 1, мають літій-тіонілхлорідние елементи.

Довгий термін зберігання і низький струм саморозряду літій-тіонілхлорідних елементів - це, звичайно, незаперечний плюс. Така властивість забезпечується тонкою ізолюючої плівкою хлориду літію, яка виникає на поверхні літієвого електрода. Плівка утворюється через хімічної реакції, що виникає ще під час складання елемента. Новоутворена плівка припиняє хімічну реакцію і різко зменшує струм саморозряду, в результаті цього маємо елемент з тривалим терміном зберігання практично без погіршення параметрів. Але є і негативна сторона цього процесу. Якщо до елементу підключити навантаження, що споживає досить великий струм, то на батареї (навантаженні) в початковий момент часу виявиться знижена напруга близько 2,3 ... 2,7 В, хоча на холостому ходу напруга буде нормальним 3,3 ... 3,6 В. це відбувається через те, що утворилася ізолює плівка не може зруйнуватися миттєво і перешкоджає протіканню струму (володіє досить високим опором). В процесі зберігання елемента товщина ізолюючої плівки збільшується. Цей процес називається пасивацією літієвого елемента. Пасивації схильні літієві елементи всіх виробників без винятку.

Ступінь пассивации елемента залежить від часу і умов його зберігання, а також - від режиму експлуатації. Чим більше період зберігання і вище температура, тим товщі плівка. Значні негативні прояви ефекту пасивації починаються після 5 ... 6 місяців зберігання в нормальних умовах, або після тривалого використання елемента в мікрострумову режимі (одиниці мікроампер і менш).

У реальному житті часто зустрічаються пристрої, що працюють більшу частину часу в режимі очікування (наприклад, будь-які датчики). Прилади тривалий час споживають струм в кілька мікроампер або десятків мікроампер, а по здійсненню деякого події повинні включитися в режим середнього або великого енергоспоживання. В цьому випадку, якщо в приладі встановлена ​​батарея після тривалого зберігання, або режим мікроспоживання тривав дуже довго, то перехід в режим підвищеної енергоспоживання може і не відбутися. Елемент видасть знижена напруга.

Знижена напруга в меншій мірі впливає на пристрої з малим споживанням струму. У момент підключення такого навантаження напруга на елементі знизиться незначно, і пристрій буде працювати, однак процес пасивації продовжиться, і в якийсь момент часу пристрій може відключитися, або його робота стане нестійкою. Для таких пристроїв не слід використовувати енергоємні літієві джерела струму.

При підключенні навантаження, яка споживає кілька міліампер (середнє навантаження), відбудеться зниження напруги і потім, через деякий час, воно відновиться до нормального значення. Це пояснюється тим, що при споживанні зазначеного струму наявна плівка з плином часу зруйнується, а постійно протікає або протікає з досить короткими проміжками часу струм буде перешкоджати її утворення.

Знижена напруга на елементі, який споживає великий струм (десятки міліампер), в момент підключення навантаження може порушити його роботу, або ж він просто не включиться. Заміна елемента на новий (щойно куплений і не був в експлуатації) ситуацію не виправить, а перевірка навантаження покаже, що з її схемою все в порядку. Виходить наступна ситуація: встановили новий елемент живлення - і прилад перестав працювати!

Подібний випадок зустрічався в практиці автора даної статті. При роботі на одному з підприємств довелося готувати деякий виріб до серійного випуску. Виріб складалося з декількох окремих пристроїв. Одне з пристроїв мало особливість - його робочий режим був імпульсним, з досить великим струмом споживання (пульт дистанційного керування). Як джерело живлення в виріб розробником були закладені літієві елементи. У той час подібні елементи були не дуже поширені, а їх «особливості» не були широко відомі, і відділ закупівель придбав партію схожих за основними параметрами елементів (по напрузі і ємності). Ці елементи були поставлені в пристрій і виявилося, що у всіх пристроїв, вже перевірених і налаштованих, різко скоротилася дальність зв'язку. Порахували, що елементи довго зберігалися і втратили частину ємності (вони насправді досить довго зберігалися). Була закуплена ще одна партія елементів (більш «свіжих») - кардинально ситуація не покращилася. Коли стали розбиратися - з'ясувалося, що дані елементи мають ефект пасивації. Надалі проблему змогли усунути деякої доопрацюванням схеми (підключили кілька електролітичних конденсаторів паралельно елементу живлення). Перші включення пристрою стали відбуватися за рахунок частини енергії, накопиченої в конденсаторах, і одночасно з цим імпульси струму депассівіроваться елемент.

Літій-тіонілхлорідние елементи перед використанням необхідно депассівіроваться, т. Е. Зруйнувати ізолюючу плівку хлориду літію імпульсом струму. На малюнку 3 показаний графік, що пояснює депассівацію літій-тіонілхлорідних первинних джерел струму.

Мал. 3. Напруга на елементі в процесі депассіваціі

На графіку є чотири області:

Для активації ні в якому разі не можна робити коротке замикання висновків елемента живлення. Подібний метод призведе до виходу елемента з ладу. Існують рекомендовані виробником максимально допустимі значення струму і часу депассіваціі. У таблиці 5 вказані режими депассіваціі для деяких елементів компанії EEMB.

Таблиця 5. Параметри для депассіваціі літій-тіонілхлорідних елементів EEMB

НайменуванняСтрум активації макс., МАТермін зберігання / час активації, зНапруга після
депассіваціі, ВВиробник3 місяці6 місяців12 місяців ER14250

80 15 30 60> 3,0 EEMB ER14505 200 ER26500 260 ER34615 460 ER14505M 1000 ER26500M 2000 ER34615M 3000

Максимальне значення струму депассіваціі для літій-тіонілхлорідних елементів можна визначити за правилом:

макс. імпульсний струм> макс. ток депассіваціі <2 х макс. робочий струм

При тривалому зберіганні літій-тіонілхлорідних елементів можна попередити утворення плівки хлориду літію за допомогою регулярної короткочасного навантаження елемента струмом не менше 1,25% від номінальної ємності протягом трьох секунд один раз на добу.

Слід зазначити, що процесу пасивації схильні практично всі літієві джерела струму, але у літій-тіонілхлорідних він виражений найбільш гостро, а ці джерела, з огляду на їх неперевершеною питомої густини енергії, дуже затребувані на ринку.

Батареї та акумулятори, наприклад, компанії EEMB, випускаються з різними висновками для різних варіантів монтажу на друковану плату. Кожна версія висновків має свої буквені позначення - додаткові символи в кінці найменування. Деякі, найбільш популярні з них, наведені на рисунках 4 і 5. На малюнку 4 показані варіанти висновків елементів живлення «таблеткового» типу, а на малюнку 5 - циліндричного типу. Якщо в найменуванні відсутня кодування висновків - це означає, що елементи живлення призначені для установки в звичайні власники батарей (стандартний елемент).

Якщо в найменуванні відсутня кодування висновків - це означає, що елементи живлення призначені для установки в звичайні власники батарей (стандартний елемент)

Мал. 4. Варіанти висновків для елементів таблеткового типу

Мал. 5. Варіанти висновків для елементів циліндричного типу

Говорячи про переваги літієвих джерелах струму, слід сказати і про їх недоліки. До недоліків літієвих елементів слід віднести поки ще відносно високу вартість у порівнянні з іншими типами елементів, обумовлену високою ціною літію і особливими вимогами до виробництва (необхідність інертної атмосфери, очищення неводних розчинників), а також пасивацію. Слід також враховувати, що деякі літієві елементи при розтині вибухонебезпечні. Однак, це не повинно перешкоджати використанню даного виду джерел струму. Необхідно тільки пам'ятати про особливості їх застосування.

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

GS05E-USB - джерело живлення від MEAN WELL для USB-пристроїв

В даний час важко уявити наше повсякденне життя без носяться пристроїв з USB-портом: мобільні телефони, електронні книги, планшетники і ін. Подібні пристрої живляться від хімічного джерела струму, як правило, акумулятора і, відповідно, вимагають періодичної підзарядки. Якщо поруч завжди є будь-який пристрій, що підключається до мережі 220 В / 50 Гц з USB портом (ноутбук, стаціонарний комп'ютер або інший пристрій), то проблеми з зарядкою носиться пристрою не виникає. Але навіщо спеціально підключати до мережі досить потужний пристрій, пристойно витрат електроенергії для власного харчування, якщо можна обійтися спеціальним економічним джерелом харчування?

З іншого боку, часто буває ситуація коли переносна пристрій розрядилося в самий невідповідний момент, а інше USB пристрій, що підключається до мережі, від якого можна б було підзарядити акумулятор «сів», відсутня. Для виключення подібних небажаних ситуацій компанія MEAN WELL розробила спеціальний джерело живлення GS05E-USB для пристроїв з USB-портом або пристроїв живляться від USB-порту. Даний джерело на виході забезпечує струм 1 А при напрузі 5 В; відповідає класу II щодо захисту від ураження електричним струмом (подвійна ізоляція) і характеризується вкрай малим енергоспоживанням без навантаження (менше 0,3 Вт).

Пристрій має компактний розмір і невелику масу, що дозволяє його носити з собою і завжди мати можливість (при наявності 220 В / 50 Гц) підключити виряджене USB-пристрій, щоб ним скористатися.

Основні параметри:

  • Діапазон вхідної напруги 90 ... 264В
  • Вихідна напруга 5В
  • Вихідний струм 1А
  • вихід USB
  • Розмір 42x30x20мм
Про компанію EVE Energy

EVE Energy Co EVE Energy Co., Ltd є одним з лідерів в розробці і виробництві літієвих елементів живлення. Її основні продукти виробництва - це літієві батареї на основі електрохімічної системи літій тіонілхлориду (Li / SOCl2) і літій діоксиду марганцю (Li / MnO2), а так само надання професійних OEM рішень і послуг складання елементів в блоки за індивідуальними проектами. Висока якість і надійність елементів живлення EVE, підтверджується багаторічним досвідом роботи з використанням передовог ... читати далі

Може бути, в даному випадку елемент повівся так, як і повинен був?
Але навіщо спеціально підключати до мережі досить потужний пристрій, пристойно витрат електроенергії для власного харчування, якщо можна обійтися спеціальним економічним джерелом харчування?