Литиевый элемент питания
Литиевый элемент — одноразовый (неперезаряжаемый) гальванический элемент, в котором в качестве анода используется литий или его соединения. Катод и электролит литиевого элемента может быть разных видов, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода.
В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов литиевый элемент питания может производить напряжение 1,5 В (совместим с щелочными элементами) или 3 В. Литиевые элементы питания широко распространены в современной портативной электронной технике, "таблеточные" (CR2025, CR2032 и другие) часто используют для питания энергонезависимой памяти BIOS, напольных и кухонных весов, калькуляторов, пультов дистанционного управления, игрушек, маленьких фонариков-брелоков и лазерных указок.
История
Достоинства
К достоинствам литиевых элементов можно отнести[2]:
- меньшую, чем у серебра и ртути, дефицитность;
- возможность выполнения особо плоских и компактных элементов (толщиной 1-1,5 мм), позволяющих их использовать в небольших устройствах, таких как наручные часы;
- возможность получения различных рабочих напряжений (1,5; 2,8; 3 и 3,5 В), что невозможно реализовать в других видах гальванических элементов;
- исключительно малые токи саморазряда и высокая степень герметичности, что позволяет хранить литиевые элементы до начала эксплуатации 5-7 лет без нарушения герметичности;
- возможность хранения и работы в широком диапазоне отрицательных и положительных температур.
Химические процессы
Тип | Катод | Электролит | Номинальное напряжение | ЭДС холостого хода | Вт*ч/кг | Вт*ч/л |
---|---|---|---|---|---|---|
Li-MnO2 «CR» | диоксид марганца | Перхлорат лития в растворителе (пропиленкарбонат, диметоксиэтан)[3][4][5] | 3 В | 3,3 В | 280 | 580 |
Li-(CF)x «BR» | Фторид углерода | Тетрафторборат лития в пропиленкарбонате, диметоксиэтане, гамма-бутиролактоне | 3 В | 3,1 В | 360-500 | 1000 |
Li-FeS2 «FR» | Дисульфид железа | пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1,4-1,6 В | 1,8 В | ||
Li-SOCl2 «E» | Тионилхлорид | Тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде | 3,5 В | 3,65 В | 500-700 | 1200 |
Li-SO2Cl2 | Сульфурилхлорид | 3,7 В | 3,95 В | 330 | 720 | |
Li-SO2 | Диоксид серы | Бромид лития | 2,85 В | 3,0 В | 250 | 400 |
Li-I2 | Иод | Иодид лития[6] | 2,8 В | 3,1 В | ||
Li-Ag2CrO4 | Хромат серебра | Перхлорат лития | 3,1-2,6 В | 3,45 В | ||
Li-Ag2V4O11, Li-SVO, Li-CSVO | Оксид серебра+Оксид ванадия | Гексафторфосфат лития или гексафтороарсенат лития в пропиленкарбонате с диметоксиэтаном | ||||
Li-CuO «GR» | Окись меди | Перхлорат лития в диоксолане | 1,5 В | 2,4 В | ||
Li-Cu4O(PO4)2 | Copper oxyphosphate | |||||
Li-CuS | Сульфид меди | 1,5 В | ||||
Li-PbCuS | Сульфид свинца и сульфид меди | 1,5 В | 2,2 В | |||
Li-FeS | Сульфид железа | Пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1,5-1,2 В | |||
Li-Bi2Pb2O5 | Lead bismuthate | 1,5 В | 1,8 В | |||
Li-Bi2O3 | Оксид висмута | 1,5 В | 2,04 В | |||
Li-V2O5 | Оксид ванадия | 3,3/2,4 В | 3,4 В | 120/260 | 300/660 | |
Li-CuCl2 | Хлорид меди | LiAlCl4 или LiGaCl4 в SO2. | ||||
Li/Al-MnO2, «ML» | Оксид марганца | 3 В[7] | ||||
Li/Al-V2O5, «VL» | Оксид ванадия | 3 В[8] | ||||
Li-Se | Селен | 1,9 В[9] | ||||
Li-air | Углерод | 1800-660[10] | 1600-600[10] | |||
Li-FePO4 | Феррофосфат лития | Этиленкарбонат, диметилкарбонат, перхлорат лития | 3,0-3,2 В | 3,2 В | 90-160[11][12] | 325[12] |
Тионилхлоридный катод
В качестве положительного электрода в т. н. литийтионилхлоридных батарейках применяется тионилхлорид. Химический процесс в батарее:
Напряжение новой батареи — 3,65 В, окончание разряда — 3,0 В. Характеристика разряда — плоская с резким падением напряжения в конце ёмкости.
Эти батарейки отличаются высокой плотностью энергии (0,5 кВт*ч/кг, 1,2 кВт*ч/л), длительными сроками работы (свыше 20 лет, саморазряд — ~1 %/год) и широким температурным диапазоном (до −80..+130 °C).[13] Однако их применение ограничено профессиональными применениями в связи с токсичностью содержимого и риском взрывного разрушения при коротком замыкании.
Батареи этого типа обладают склонностью к пассивации — осаждению плёнки хлорида лития на литиевом электроде при длительном отсутствии нагрузки или малых токах потребления. При этом внутреннее сопротивление батареи значительно растет. При нагружении батарея через некоторое время восстанавливает характеристики.[14]
Литий-железофосфат, LiFePO4, "лифер"
Перезаряжаемые элементы, аккумуляторы. В отличие от более известных литий-ионных, пожаробезопасны, их повреждение не приводит к возгоранию, они обладают кратно большим ресурсом циклов заряда-разряда, что делает их востребованными в солнечной энергетике и на транспорте в некоторых странах.
Характерное рабочее напряжение — 3,2-3,3 вольта в зависимости от нагрузки, причем это напряжение слабо зависит от степени заряженности. Требуют осторожности при заряде - в конце заряда напряжение резко растет, что может привести к выходу из строя.
К недостаткам можно отнести практическую невозможность заряда при отрицательных температурах, и меньшую удельную емкость в сравнении с традиционными литиевыми аккумуляторами.
Применение
Литиевые элементы нашли применение в устройствах, предъявляющих высокие требования к элементам питания на протяжении длительного срока службы, таким как электрокардиостимулятор и другие имплантируемые медицинские устройства. Такие устройства могут работать автономно до 15 лет. Применение литиевых элементов в устройствах с небольшим сроком службы не всегда оправдано. Так, литиевый элемент может прослужить дольше, чем детская игрушка, для которой он был приобретен. Диапазон применения литиевых элементов практически аналогичен применению щелочных элементов — это большое количество различных устройств, таких как часы или фотокамера.
Типоразмеры
Небольшие («таблеточные») литиевые элементы часто используются в портативных электронных устройствах с малым энергопотреблением (часы, калькуляторы), а также в компьютерах для питания энергозависимой памяти CMOS и часов.
См. также
Примечания
- ↑ Energizer EA91 (Lithium/Iron Disulfide (Li/FeS2)) Архивная копия от 12 июля 2019 на Wayback Machine, официальное описание производителя.
- ↑ Варламов Р. Г. Современные источники питания. Справочник. М.: ДМК, 1998. — 192 с. ISBN 5-89818-010-9
- ↑ Duracell Duracell Primary Lithium Coin Cell Article Information Sheet (1 июля 2015). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 3 января 2018 года.
- ↑ Energizer Energizer Product Safety Data Sheet, Coin/Button Lithium Manganese Dioxide Batteries (1 января 2017). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 8 сентября 2017 года.
- ↑ DongGuan TianQiu Enterprise Co., Ltd Material Safety Data Sheet, Li-Mn Button Cell CR2025 (1 января 2016). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 3 января 2018 года.
- ↑ Mallela, V. S.; Ilankumaran, V.; Rao, N. S. (2004). "Trends in cardiac pacemaker batteries". Indian Pacing and Electrophysiology Journal. 4 (4): 201—212. PMC 1502062. PMID 16943934.
- ↑ Electronic Components - Panasonic Industrial Devices . www.panasonic.com. Архивировано 13 ноября 2013 года.
- ↑ Electronic Components - Panasonic Industrial Devices . www.panasonic.com. Архивировано 25 ноября 2013 года.
- ↑ Eftekhari, Ali (2017). "The rise of lithium–selenium batteries". Sustainable Energy & Fuels. 1: 14—29. doi:10.1039/C6SE00094K.
- ↑ 1 2 Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R. S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A. (2012). "A Critical Review of Li∕Air Batteries". Journal of the Electrochemical Society. 159 (2): R1. doi:10.1149/2.086202jes.
- ↑ Large-Format, Lithium Iron Phosphate . JCWinnie.biz (23 февраля 2008). Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 18 ноября 2008 года.
- ↑ 1 2 Great Power Group, Square lithium-ion battery . Дата обращения: 31 декабря 2019. Архивировано 3 августа 2020 года.
- ↑ All About Batteries, Part 7: Lithium Thionyl Chloride . Дата обращения: 1 октября 2020. Архивировано 1 сентября 2017 года.
- ↑ Особенности работы литий-тионилхлоридных батарей . Дата обращения: 1 октября 2020. Архивировано из оригинала 22 июля 2019 года.