Техническое руководство по Li-SOCl2 (литий-тионилхлоридным) источникам тока

Часть 1

Данное техническое руководство предназначено для того, чтобы помочь потребителям в достаточной степени понять характеристики литиевых гальванических систем и продукции XenoEnergy (литий-тионилхлоридных элементов питания с напряжением 3,6 В), чтобы они смогли использовать элементы питания XenoEnergy в конкретных прикладных системах соответствующим образом.

Введение

Литий-тионилхлоридный элемент питания

В течение нескольких последних десятилетий быстрое продвижение вперёд в области разработки и миниатюризации электронных устройств создало спрос на лёгкие, компактные и высокоэффективные источники питания для широкого диапазона различных условий.

Литиевые элементы питания, которые дают максимум энергии на выходе за счёт использования лития — металла с самым большим известным электродным потенциалом, привлекли к себе повышенное внимание как оптимальные источники питания для удовлетворения этого спроса. Как следует из их названия, в данных гальванических элементах в качестве анода используется литий, при этом различные системы отличаются материалами катода, электролитом, а также конструкцией элемента и другими химическими добавками. Таким образом, каждый тип литиевых элементов питания имеет свои характеристики в силу вышеуказанных причин. Литиевые элементы питания делятся на три категории в зависимости от типа катода и электролита, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Основные типы первичных литиевых элементов питания

Типы первичных литиевых элементов питания
Твёрдый электролит Жидкий электролит
Твёрдый катод Твёрдый катод Жидкий катод
Li-I2 (йодный) Li-MnО2 (на основе диоксида марганца)
Li-CFx (на основе поли-монофторида углерода)
Li-Ag2CrO4 (на основе хромата серебра)
Li-FeS2 (на основе дисульфида железа)
Li-CuO (на основе оксида меди)
Li-SО2 (на основе диоксида серы)
Li-SOCl2 (тионилхлоридный)
Li-SO2Cl2 (сульфурилхлоридный)

Каждый из типов литиевых элементов питания имеет свои собственные специализированные характеристики, такие как электрическое напряжение, максимальный возможный ток, плотность энергии и рабочую температуру.

Среди литиевых гальванических элементов тионилхлоридные Li-SOCl2-батареи являются в настоящее время самым лучшим выбором для имеющихся электронных и промышленных устройств по совокупным характеристикам, особенно электрической надёжности в различных условиях, большому сроку хранения, длительному сроку службы и безопасности.

Литиевые элементы питания производства XenoEnergy

XenoEnergy — это компания, занимающаяся НИОКР и производством, которая специализируется в области элементов питания на основе Li-SOCl2 и имеет 15-летний практический опыт НИОКР, производства и продаж. Пользуется теоретической поддержкой Корейского университета, специализирующегося в области технологий элементов питания.

XenoEnergy — это компания, занимающаяся Li-SOCl2-элементами питания, которая путем проб и экспериментов приобрела ценный опыт. Благодаря сотрудничеству с Корейским университетом XenoEnergy в настоящее время является ведущей компанией в этой области и компанией, которая очень хорошо понимает как технологии, так и потребности своих клиентов и потому имеет преимущества по отношению к своим конкурентам.

Общие характеристики

Общие характеристики литий-тионилхлоридных элементов питания производства XenoEnergy перечислены ниже.

  • Высокое напряжение. Этот элемент питания имеет напряжение разомкнутой цепи 3,67 В, что является одним из самых высоких среди литиевых элементов питания. Поэтому он может заменить два или три обычных элемента питания.
  • Стабильность напряжения. Рабочее напряжение этого элемента питания остается стабильным в течение его срока службы.
  • Широкий диапазон температур. Такой элемент питания можно использовать в широком диапазоне температур, от -55 до +85 °C. По специальному заказу возможна поставка элементов питания с расширенным диапазоном температур, до +130 °C (макс +150 °C).
  • Очень большой срок хранения. Эти элементы питания демонстрируют значительно меньшую скорость саморазряда, не более 1% в год при комнатной температуре без нагрузки, и их фактический срок хранения превышает 10 лет. Низкий саморазряд обеспечивают пассивационная плёнка на поверхности лития и герметичная конструкция.
  • Высокая плотность энергии. Этот элемент питания имеет самую высокую плотность энергии (до 700 Вт·ч/кг и 1380 Вт·ч/л), превышающую аналогичный показатель любого другого первичного элемента питания.
  • Безопасность. Поскольку данный гальванический элемент не является системой, находящейся под давлением, ему не требуется защитное устройство для стравливания давления. Из элемента питания не выделяются никакие газы, так как его корпус герметичен. Элемент питания также имеет безопасную внутреннюю конструкцию, включая очень ограниченное количество лития и размещение лития вдоль внутренней стенки корпуса элемента, поэтому исключена опасность какого-либо происшествия или взрыва под действием токов короткого замыкания и в условиях теплового пробоя. Компания XenoEnergy не смогла выявить никаких проблем с точки зрения безопасности в ходе испытаний изделий во внештатных условиях. Вся продукция XenoEnergy имеет международную сертификацию UL.

Сравнение различных литиевых гальванических элементов

На рисунке 1 показаны сравнительные данные нескольких основных типов первичных элементов питания. Литий-тионилхлоридные элементы производства XenoEnergy демонстрируют наилучшие и наивысшие значения основных характеристик, таких как номинальное напряжение, плотность энергии, максимальный срок службы и диапазон рабочих температур.

 Сравнение основных типов первичных элементов питания

Рисунок 1. Сравнение основных типов первичных элементов питания

Благодаря сварному и герметичному корпусу литиевых элементов питания XenoEnergy их срок службы может превышать 10 лет. Поэтому такие элементы питания лучше всего подходят для применения там, где требуются небольшие непрерывные токи в течение длительных периодов и умеренные импульсные токи. К примерам таких систем относятся системы дистанционных датчиков в устройствах обеспечения безопасности, различные приборы учета ресурсов, устройства радиочастотной идентификации (RFID) и системы резервного питания запоминающих устройств.

В частности, беспроводным пассивным инфракрасным (PIR) датчикам для систем безопасности обычно требуются очень маленькие токи (десятки микроампер) в состоянии покоя и 7,5-10 мА при передаче. При таких условиях работы литий-тионилхлоридный элемент питания обеспечивает срок службы до 1,5-2 раз больший, чем литиевые элементы той же ёмкости на основе диоксида марганца.

И хотя химия литий-тионилхлоридного элемента питания несколько сложнее, это наилучшее решение для тех потребителей, которые ищут решение для питания своих систем с длительным сроком службы, превышающим сроки службы всех остальных конкурирующих вариантов.

Химический состав элемента питания и химическая реакция

Химический состав элемента питания

Анод. Анод литиевого элемента питания XenoEnergy представляет собой фольгу из чистого лития высшего класса очистки (содержание лития свыше 99,8%). Она располагается в свёрнутом виде вдоль стенки корпуса элемента, обеспечивая большую надёжность электрического соединения и безопасность.

Катод. В качестве материала катода в литиевых элементах питания XenoEnergy используется порошок углерода, связанный политетрафторэтиленом. Он обеспечивает эффективное электрическое соединение. Обычно, когда к элементу подключается нагрузка, SOCl2 может восстанавливаться на поверхности углеродного катода. Также происходит выделение LiCl и S и их отложение на углеродном катоде. На катоде происходит химическая реакция между тионилхлоридом и ионами лития.

Сепаратор. В изделиях XenoEnergy используются сепараторы между катодом и анодом, выполненные из нетканого стекловолокна. Это помогает движению ионов при разрядке и препятствует внутренним коротким замыканиям, обеспечивая надёжность при хранении.

Электролит. Электролитом литиевого элемента XenoEnergy служит сочетание тионилхлорида (SOCl2), хлорида лития (LiCl) и тетрахлорида алюминия (AICl3). Тионилхлорид имеет низкую температуру замерзания, -105 °C, и высокую температуру кипения, 79 °C. Он демонстрирует хорошее восстановление во время разрядки элемента вне зависимости от условий окружающей среды и низкий саморазряд в условиях хранения.

Коллектор тока. Коллекторы тока литиевого элемента питания XenoEnergy — разные для каждого типоразмера элемента. На рисунке 2 представлены чертежи элементов питания малых типоразмеров (1/2AA, 2/3AA, AA, A), больших типоразмеров (C, D) и плоских элементов питания (1/10D). Коллектор тока обеспечивает наилучшую эффективность электрического соединения между катодом и клеммой положительного полюса.

 Конструкция литиевого элемента питания XenoEnergy

Рисунок 2. Конструкция литиевого элемента питания XenoEnergy

Корпус и крышка элемента. Корпус и крышка литиевого элемента питания XenoEnergy выполняются из нержавеющей стали марки 304L (наш аналог — ГОСТ 03Х18Н11). Она очень хорошо подходит для использования там, где требуются немагнитные условия при разрядке и хранении. Корпус и крышка также рассчитаны на то, чтобы выдерживать механические напряжения и суровые условия окружающей среды.

Герметизация. При изготовлении изделий XenoEnergy используются два способа герметизации. Один из них — это уплотнение типа «стекло-металл» (GM) между клеммой положительного полюса, выполненной на 52% из никелевого сплава, и верхней крышкой, которая является отрицательным полюсом и выполняется из нержавеющей стали в сборке днища. Другой способ — это уплотнение между корпусом и сборкой днища. Для этого в XenoEnergy используется технология лазерной сварки. Такие герметичные сварные швы используются для того, чтобы обеспечить лучшее сохранение рабочих характеристик при длительном хранении, длительный период разрядки и надёжность. Эти герметичные швы обеспечивают более высокий уровень безопасности, чем другие типы герметизации.

Важно! Уплотнение типа «стекло-металл» является очень ответственным элементом с точки зрения контроля качества ввиду возможности микроскопических трещин, которые могут привести к выходу элемента из строя в будущем. Сборка с уплотнением «стекло-металл» поставляется изготовителем, который имеет многолетний опыт, и проходит повторную аттестацию в ходе окончательного контроля в компании XenoEnergy с применением наших специальных методик. Этот метод контроля имеется только в компании XenoEnergy, и он позволяет выявить любые проблемы герметизации «стекло-металл», а также обнаруживать другие возможные трещины, возникшие из-за сварки. Методы и технологии контроля, используемые в XenoEnergy, доказали свою успешность тем, что никаких жалоб, связанных со сваркой и герметизацией типа GM, не возникало.

Химическая реакция

В литий-тионилхлоридных элементах питания XenoEnergy жидкий тионилхлорид (SOCl2) используется в качестве положительного активного материала, а литий (Li) — в качестве отрицательного активного материала. Он выполнен из неорганических материалов.

В литиевых элементах питания XenoEnergy протекают следующие химические реакции:

Окисление анода (отрицательного полюса):

Формула

Восстановление катода (положительного полюса):

Формула

Вся реакция выглядит следующим образом:

Формула

Вышеуказанный диоксид серы (SO2) растворяется в электролите.

Продолжение следует.