Літієві елементи живлення фірми Forte

1. Типи хімічних джерел струму
2. Літій-діоксідмарганцевие батареї
3. Літій-тіонілхлорідние батареї
4. Батареї для спеціального застосування
5. високотемпературна серія
6. Батареї в ламінованому корпусі

Мал. 1. Конструкція лужної батареї

Типи хімічних джерел струму

Приймачі, ліхтарі, датчики пожежної або охоронної сигналізації, лічильники, портативні прилади, автономні системи GPS і навіть космічні зонди - харчування подібного обладнання забезпечують хімічні джерела струму (далі - ХДС). У безлічі сучасних пристроїв від іграшкових моделей до промислових контролерів використовуються хімічні елементи живлення, в побуті - батарейки.

На даний момент на ринку присутні три принципово різних за експлуатаційними характеристиками і вартості класу хімічних джерел струму: так звані сольові, лужні (лужні) і літієві.

Сольові і лужні ХІТ в цілому мають схожу конструкцію (рис. 1) і розрізняються лише речовиною електроліту і порядком розташування елементів. Анодна паста (3), що представляє собою цинковий порошок, просочений загущених лужним електролітом, поміщається у внутрішню частину елемента і має негативний потенціал, який знімається латуні стержнем (2). Анодна паста відокремлена сепаратором (4), також просоченим електролітом, від активної маси, суміші діоксиду марганцю і графіту (5). На відміну від сольового елемента позитивний висновок виконаний у вигляді сталевого нікельованого склянки (1), а негативний - у вигляді сталевої тарілки (9). Оболонка (6) ізольована від склянки і запобігає коротке замикання, яке може виникнути при установці декількох елементів в батарейний відсік. Прокладка (8) сприймає тиск газів, що утворюються при роботі. Виділення газів в лужному елементі значно менше, ніж в сольовому, тому обсяг камери для їх збору теж менше. Для запобігання вибуху батареї при неправильному використанні, наприклад при короткому замиканні, в ній встановлена ​​запобіжна мембрана (7). При перевищенні тиску газів відбувається розрив мембрани і розгерметизація елемента, що зазвичай призводить до течі електроліту.

Однак сольові елементи мають значно менший допустимий струм розряду і термін зберігання, ніж лужні, і можуть нормально експлуатуватися тільки в кімнатних умовах, що накладає серйозні обмеження на перелік пристроїв, в яких допустимо їх використання. Досить широка пропозиція сольових батарейок на ринку пояснюється в основному їх вкрай низькою вартістю, а сфера поширення обмежується ІК-пультами дистанційного керування і настінним годинником, так як вони практично непридатні для роботи при низьких температурах або великих токах споживання.

Лужні ж елементи мають вартість в кілька разів вище, ніж сольові, але їх ємність зменшується при збільшенні струму розряду і зниженні температури менш різко, ніж у елементів з сольовим електролітом. Питома ємність елементів на основі лужного електроліту при розряді малими струмами приблизно в 1,5 рази перевищує питому ємність елементів з сольовим електролітом. При розряді великими струмами відмінність збільшується до 4-10 раз. Крім того, поступово вартість даних ХІТ знижується, і в підсумку в силу кращого співвідношення ціни / якості вони мають уже більшого поширення, ніж сольові. Однак використання в умовах низьких температур все одно обмежена.

Відносно недавно на ринку з'явилися літієві хімічні джерела струму, покликані виправити всі недоліки старіших елементів живлення. В даний час представлена ​​ціла серія різних за конструкцією, по використовуваних електролітів, а значить, і за експлуатаційними характеристиками типів батарей. Розглянемо два основних види літієвих батарей: Li-MnO2 (літій-діоксідмарганцевие) і Li-SOCl2 (літій-тіонілхлорідние). В цілому, літієві батареї засновані на тих же принципах, що сольові і лужні, але в якості катода використовується літій, а в якості анода - інше хімічну сполуку, в описаних типах це MnO2 і SOCl2. Крім того, в літієвих ХІТ відсутні шкідливі речовини, зокрема ртуть, кадмій і свинець.

Існує дві структури укладання електродів: катушечная і спіральна. Батареї котушкового типу характеризуються віддачею заряду малим струмом (порядку десятків міліампер) і, відповідно, рекомендуються для застосування в пристроях з низьким споживанням. Це можуть бути резервні пристрої, що запам'ятовують, годинник, календарі, лічильники води і газу, автомобільна електроніка, батареї годин реального часу, в тому числі в промислових контролерів, що мають підвищені вимоги до експлуатаційних режимів. ХІТ зі спіральними електродами призначені для великих струмів безперервного споживання, а також для пристроїв, що діють в імпульсному режимі споживання.

Порівнюючи два типи елементів, відзначимо, що відмінності котушкового і спірального типу полягають в співвідношенні здатності навантаження і ємності: батареї котушкового типу мають меншу навантажувальну здатність, але більшу ємність, ніж спіральні. В кінцевому підсумку тип конструкції не важливий, а при виборі елемента живлення необхідно дивитися на такі характеристики, як максимальний струм розряду і ємність.

Головна особливість літієвих елементів живлення - дуже велика тривалість зберігання в неробочому стані, що досягає десятків років зі збереженням потенціалу, що дозволяє робити автономні пристрої з тривалим пасивним режимом і великим споживанням струму по деякому події, що неможливо зі старими типами в силу їх недовговічності. Крім того, особливістю таких батарей є їх здатність витримувати широкий температурний діапазон (-40 ... + 85 ° C), що передбачає використання даних елементів живлення не тільки в споживчій електроніці, але і в сучасних системах безпеки і областях, які передбачають великий температурний розкид. Деякі літієві батареї, як, наприклад, Forte ER14505S, ER26500S з високотемпературної серії, мають немислимий для лужних джерел струму допустимий діапазон -40 ... + 150 ° C.

Розглянемо основні характеристики цих батарей на прикладі розроблених і виготовлених Forte, зауважимо, що в них використовуються запатентовані компанією технології, що може істотно поліпшити співвідношення ціни / якості щодо інших пропозицій на ринку. До речі, найбільш відомі компанії-виробники, зокрема Duracell, GP, Energizer, практично не мають в своєму асортименті літієвих елементів напругою 3 і 3,6 У в корпусах, відмінних від «корпусу-таблетки».

Літій-діоксідмарганцевие батареї

Найбільш поширений і вивчений тип літієвих батарей, що має твердий позитивний електрод, виготовлений з термообробленого діоксиду марганцю MnO2. В результаті реакції розряду утворюється оксид літію. Цей тип батарейок має в найменуванні букви СR. Літій-діоксідмарганцевие ХІТ характеризуються високою напругою, високою питомою енергією і стабільної кривої розряду і часто використовуються в якості резервної батареї. Циліндрична батарея літієво? Марганцевого типу, виготовлена ​​Forte (рис. 2), також має високі характеристики безпеки, низьким внутрішнім опором і, як наслідок, можливістю забезпечувати значні струми розряду до 2 A, скажімо у батареї CR18505.

Мал. 2. Літій-діоксідмарганцевие батареї Forte

Висока і стабільна робоча напруга є головною характеристикою цих елементів: напруга на батареї вище 3 В, робоча напруга 2-3,2 В зберігається стабільно протягом усього терміну служби. Робочий діапазон температур неспеціалізованих моделей становить -40 ... + 85 ° C. Концентрація енергії батарей такого типу, виробленої Forte, досягає 400 Вт / кг, або 600 Вт / л. Літій-діоксідмарганцевие батареї Forte мають вкрай низький саморозряд (річна швидкість саморозряду менше або дорівнює 1%), а також використовують оболонку з нержавіючої сталі і герметичну зварювання, тому термін зберігання при кімнатній температурі може перевищувати 10 років. Батареї не містять важких металів, таких як ртуть, кадмій і свинець, тому виключається небезпека для навколишнього середовища.

Більш того, якщо порівнювати поширені моделі батарей Forte і GP (рис. 3), то Forte, наприклад, при розряді на опорі 120 Ом показує результати, еквівалентні аналогічної, але дорожчий батареї GP. При цьому у батарей Forte більш широкий діапазон робочих температур: -40 ... + 85 ° C проти -40 ... + 60 ° C у GP.

Мал. 3. Разрядная характеристика батарей при +23 ° С: a) Forte і б) GP

Область застосування включає, але не обмежується платами CMOS, різними інтелектуальними лічильниками і датчиками, резервними джерелами живлення, бездротовими датчиками диму і температури, системами віддаленого моніторингу, до яких відносяться пристрої позиціонування і системи морської телеметрії, автомобільною електронікою (системи контролю тиску в шинах). У промисловості такі батареї встановлюють в приладах і обладнанні для автоматизації, нафтових свердловинах, шахтах, медичної апаратури, охоронних сигнализациях, бездротового зв'язку і безлічі інших пристроїв. Знайдеться застосування для них і в області національної оборони: в авіації, космічних системах, морський електроніці, інтелектуальних боєприпасах.

Літій-тіонілхлорідние батареї

Мал. 4. Хімічна будова тіонілхлориду

Негативним електродом батареї Li-SOCl2 є метал Li, а позитивним активним матеріалом і розчином електроліту - тіонілхлорид (рис. 4). Такі батареї мають найбільшу питому енергією і питомою потужністю серед всіх використовуваних хімічних джерел енергії і широко застосовуються в безлічі сучасних електронних пристроїв.

Основні характеристики даних батарей (рис. 5) - високе і стабільне робоче напруга, широкий діапазон робочих температур, тривалий термін служби і безпеку. Стандартна напруга елементів складає 3,6 В, а робоча напруга підтримується стабільним протягом всього терміну служби. Батареї цього типу можуть віддати близько 90% ємності з постійною напругою. Робочий діапазон температур, як правило,? - 60 ... + 85 ° C. Щільність енергії батареї Li-SOCl2 виробництва Forte становить до 430 Вт / кг, або 1,08 Вт / л. Літій-тіонілхлорідние батареї мають вкрай низький саморозряд (річна швидкість саморозряду менше або дорівнює 1%), в них використана оболонка з нержавіючої сталі і герметична зварювання, тому термін зберігання при кімнатній температурі може перевищувати 10 років.

Мал. 5. Літій-тіонілхлорідние батареї Forte

Наприклад, батарея ER14505 типорозміру AA має номінальну ємність 2700 мА · год і здатна працювати протягом року (рис. 6) при струмі розряду 0,5 мА, видаючи стабільну напругу протягом всього терміну служби.

Подібні батареї в основному мають промислове застосування. Плати CMOS, різні інтелектуальні лічильники: електричні лічильники, лічильники води, тепла і газу, резервні джерела живлення, наприклад для живлення контролерів RAID, різні бездротові датчики, в тому числі датчики диму або температури, системи віддаленого моніторингу, зокрема пристрої позиціонування і системи морської телеметрії і портової і річкової навігації (пристрої, розташовані на буях). Автомобільна електроніка: системи контролю тиску в шинах. В обладнанні для автоматизації, нафтових свердловинах, шахтах, медичному обладнанні, охоронної сигналізації, бездротового зв'язку і безлічі інших застосувань. Застосовуються вони і в оборонній промисловості: авіації, космічних системах, морський електроніці, інтелектуальних боєприпасах і багато іншого.

Мал. 6. Разрядная характеристика батареї ER14505

Батареї для спеціального застосування

Крім класичних модифікацій батарей з великою ємністю або великою потужністю, Forte пропонує дві практично унікальні серії: високотемпературні елементи і батареї в м'якому корпусі.

Мал. 7. Батареї Forte високотемпературної серії

високотемпературна серія

Матеріали і процес виготовлення високотемпературних батарей Li-SOCl2 Forte (рис. 7) відрізняються від звичайних джерел струму. Сталева оболонка і група покриттів мають високотемпературну структуру, тому високотемпературна батарея Li-SOCl2, вироблена Forte, може уникнути явищ розряду, вибуху і горіння при роботі в високотемпературних середовищах. Стандартна напруга батарей становить 3,6 В, а головна їх характеристика - здатність працювати при температурах -60 ... + 150 ° C, що дозволяє застосовувати їх не тільки в будь-яких кліматичних умовах, але і в жорстких промислових умовах, до того ж даний діапазон задовольняє багато вимог для військових і космічних застосувань. Так, батарея ER14505S типорозміру AA здатна зберігати ємність понад 1500 мА · год при температурі +150 ° C і струмі розряду 100 мА (рис. 8).

Мал. 8. Температурні характеристики батареї ER14505S

Батареї в ламінованому корпусі

Особливою гордістю Forte є літій-діоксідмарганцевие батареї в ламінованому, або м'якому, корпусі (рис. 9). Вони відрізняються максимальною ємністю при мінімальній товщині, що дозволяє застосовувати їх в ультракомпактних пристроях. Та й пропозиція в такому форматі батарей практично унікально, оскільки в цьому форматі конкуренти пропонують в основному Li-Pol- або Li-Ion-акумулятори, які мають значно вищу вартість і менший термін автономної роботи через набагато більшої сили струму саморозряду.

Мал. 9. Батареї Forte в ламінованому корпусі

Мінімальна товщина батарей Forte (рис. 10) становить 2,2 мм при ємності в 750 мА · год (при 10 мА струму розряду), а максимальна ємність досягає 10 А · год при товщині всього 7,8 мм.

Мал. 10. Габаритний креслення батареї CP225040

Такі батареї, фактично безкорпусні і компактні, але при цьому мають значний термін служби, можуть дозволити виготовляти принципово нові компактні пристрої, в тому числі носяться, які не потребують підзарядки протягом всього терміну служби або потребують тільки періодичного технічного обслуговування (зміни елемента живлення). Даний тип рекомендується застосовувати при проектуванні портативних пристроїв, оскільки це значно скоротить їх масогабаритні показники.

У Росії офіційним представником Forte є компанія Li-battery ( http://li-battery.ru ).