Техническое руководство по Li-SOCI2 (литий-тионилхлоридным) источникам тока

Часть 2. Начало в №1-2017 бюллетеня «Компоненты TI»

Рабочие характеристики

Характеристики напряжения

Стандартное напряжение

Типичным диапазоном рабочего напряжения литиевых элементов питания XenoEnergy является диапазон 3,4~3,6 В, как показано на рисунке 3. Это достаточно высокий диапазон по сравнению с другими конкурирующими Li-SOCI2-элементами питания, который достигается благодаря специальному строению катода, разработанному компанией XenoEnergy. В условиях непрерывной разрядки с определенными умеренными значениями тока напряжение остаётся постоянным и стабильным до конца срока службы элемента.

 Разрядная характеристика при температуре +20 °C

Рисунок 3. Разрядная характеристика при температуре +20 °C (элемент типоразмера 1/2AA, XL-050F)

Задержка напряжения

Если литиевые элементы питания XenoEnergy хранятся в течение определенного периода времени, не разряжаясь или при очень низком токе разрядки, а затем подключаются к некоторой нагрузке, происходит резкое падение первоначального напряжения.

Это общее свойство всех литий-тионилхлоридных элементов питания, которое обусловлено образованием плёнки LiCI на поверхности литиевого анода, как показано в разделе «Химическая реакция». Такая плёнка называется «пассивационной плёнкой». Эта плёнка не только обеспечивает длительный срок хранения и службы элемента питания, превышающий аналогичные показатели других типов элементов питания, но и вызывает задержку напряжения из-за того, что требуется некоторое время на сжигание пассивационной плёнки под действием протекающего тока нагрузки. При первом подключении нагрузки после периода хранения низшее минимальное напряжение можно проверить, и оно называется МНПП (минимальное напряжение переходного процесса). В соответствии с условиями окружающей среды элемента питания, такими как время хранения, температура, амплитуда импульса, коэффициент заполнения импульсов, базовый ток, вибрация и механические воздействия, диапазон задержки напряжеия может быть разным при тонкой или толстой плёнке LiCI.

Если элемент питания хранится без непрерывной разрядки, толщина плёнки LiCI может сначала увеличиваться в течение определённого периода времени. Затем толщина стабилизируется, лишь слегка увеличиваясь, как показано на рисунке 4.

 Образование пассивационной  плёнки

Рисунок 4. Образование пассивационной (LiCI) плёнки

Если элемент питания хранится в условиях температуры, циклически меняющейся от комнатной до некоторой более высокой температуры, толщина пассивационной плёнки может увеличиваться активнее, чем в случае хранения при постоянной комнатной температуре. Амплитуда импульсов и коэффициент заполнения импульсов также могут влиять на толщину плёнки LiCI. Более высокая амплитуда импульсов и более короткие периоды импульсов уменьшают толщину плёнки LiCI.

Базовый ток и регулярная вибрация также могут уменьшить пассивационную плёнку. Обычно базовые токи 2 мкА/см2 на поверхности анода могут предотвращать пассивацию, помогая элементу питания реагировать на определённые нагрузки соответствующим образом без серьёзной задержки напряжения. Однако если в том или ином случае имеют место регулярные циклы импульсов и базовый ток, это может способствовать уменьшению пассивации и помогать депассивации анода.

Кривые задержки напряжения

На рисунке 5 показаны различные кривые задержки напряжения в зависимости от протекающего тока.

 Кривые задержки напряжения

Рисунок 5. Кривые задержки напряжения

Низкий уровень тока (кривая A). Во время начальной разрядки напряжения постоянны и стабильны, задержка напряжения отсутствует, и такие кривые используются в системах резервного питания запоминающих устройств.

Средний уровень тока (кривая В). Во время начальной разрядки имеется небольшая задержка напряжения, но МНПП выше напряжения отсечки. Обычно напряжение отсечки находится в диапазоне 2,5~3 В.

Высокий уровень тока (кривая С). Во время начальной разрядки происходит сильное падение напряжения, и в течение некоторого времени напряжение остаётся ниже уровня отсечки, а затем возвращается к уровню отсечки. Если напряжение остаётся ниже уровня отсечки, даже в течение очень короткого времени, содержимое памяти подключённых устройств может оказаться потеряно. В этом случае необходима дополнительная поддержка, например увеличение базового тока, установка конденсатора или подключение дополнительного элемента питания.

Характеристики напряжения

Литий-тионилхлоридный элемент питания XenoEnergy обладает хорошими характеристиками задержки напряжения и коротким временем восстановления, а также имеет довольно широкий диапазон амплитуд импульсов. Компания XenoEnergy разработала эти элементы питания специально для улучшения показателя МНПП. Компания выпускает семейство элементов XLP, которое разработано в основном с целью уменьшения пассивации и достижения хороших показателей восстановления напряжения при различных температурах и обеспечения длительного срока хранения.

Ёмкость элемента питания

Зависимость ёмкости от времени разрядки и тока разрядки

Ёмкость элемента питания в течение срока службы — это величина тока, которую может давать элемент питания, умноженная на время в часах, в течение которого элемент питания способен давать этот ток при определённом конечном напряжении. Ёмкость элемента питания в основном зависит от тока разрядки и времени разрядки. На рисунке 6 представлено изменение ёмкости в зависимости от времени разрядки.

 Изменение ёмкости в зависимости от времени разрядки

Рисунок 6. Изменение ёмкости в зависимости от времени разрядки (XL-060F)

В номинальном диапазоне тока, указанном в каталоге XenoEnergy для данной модели, номинальная ёмкость отражает максимальные значения без учета эффекта саморазряда. В случае разрядки при токах ниже номинального скорость саморазряда будет выше, чем химическая реакция, вызванная длительным временем разрядки при низких токах. Поэтому имеющаяся ёмкость в этом случае обычно меньше. В случае разрядки при токах выше номинального внутреннее сопротивление возрастает вследствие быстрого движения ионов. В результате имеющаяся ёмкость также будет меньше при более высоком отклонении.

Зависимость ёмкости от импульсной разрядки

В настоящее время наблюдается тенденция использовать в большинстве электронных устройств, работающих на литий-тионилхлоридных элементах питания, сочетание очень низкого непрерывного базового тока и периодического или случайного импульсного тока с высоким значением, как показано на рисунке 7. Обычно базовый ток служит для того, чтобы поддерживать память входного сигнала и чтобы не допускать или уменьшать задержку напряжения путём увеличения базового тока, а импульсный ток используется для распознавания определённых изменений или передачи данных.

 Типичный импульсный ток

Рисунок 7. Типичный импульсный ток

В соответствии с решаемой задачей количество циклов импульсов может быть разным, и отношение между временем включения и выключения обычно составляет от 1:10 до 1:10 000. Эти циклы импульсов аналогичны определённому среднему значению тока, Iср1 и Iср2. Среднее значение тока также связано с ёмкостью элемента питания. Обычно при среднем значении тока, таком как Iср1 и Iср2, ёмкость несколько выше, чем в случае разрядки при данном базовом токе или пиковом токе (Iпик). При меньшей частоте циклов импульсов (1:10 000) средний ток намного ниже пикового тока, но несколько выше базового тока, как в случае Iср1. При более частых циклах импульсов (1:10) средний ток немного ниже пикового тока, но намного выше базового тока, как в случае Iср2.

Влияние температуры

Литий-тионилхлоридные элементы питания XenoEnergy можно использовать в чрезвычайно широком диапазоне рабочих температур: -55...85 °C. При низких температурах диапазон рабочего напряжения и ёмкости будет ниже, чем при комнатной температуре или при высоких температурах, из-за меньшего движения ионов и более высокой плотности защитного слоя. При более высоких температурах диапазон рабочих напряжений будет несколько выше, но ёмкость будет меньше, чем при комнатной температуре, из-за быстрого движения ионов и меньшей плотности пассивирующей плёнки.

В частности, изделия XenoEnergy демонстрируют наилучшие рабочие характеристики и рабочее напряжение при циклической смене хранения при высоких температурах и разрядке.

На рисунке 8 показана разница ёмкостей элемента питания XL-050F в зависимости от тока при различных температурах, а на рисунке 9 показана зависимость рабочего напряжения от изменений температуры при различных нагрузках. Температурные характеристики каждой модели имеются в каталоге продукции XenoEnergy.

 Зависимость ёмкости от тока (XL-050F, типоразмер 1/2AA)

Рисунок 8. Зависимость ёмкости от тока (XL-050F, типоразмер 1/2AA)

Зависимость рабочего напряжения от температуры

Рисунок 9. Зависимость рабочего напряжения от температуры (XL-050F, типоразмер 1/2AA)

Компания XenoEnergy может дать более точную и достоверную оценку срока службы с помощью нашей методики оценки зависимости фактической ёмкости от тока при различных температурах, если заказчик предоставит подробные графики изменения температуры, как показано в примере:

Температура, °C Интервал времени, % (от года)
-40 1
-20 1
0 8
20 29
40 36
60 23
85 2

Длительное хранение и разрядка

Компания XenoEnergy понимает, что литий-тионилхлоридные элементы питания в основном используются там, где требуется длительное хранение, гарантированный и длительный срок службы (обычно более 10 лет). Поэтому XenoEnergy начала испытания фактического длительного хранения и испытания разрядки опытных образцов элементов питания ещё в 2000 г. Это было сделано для демонстрации потребителям высокой надёжности продукции XenoEnergy путём предоставления фактических данных по саморазряду и результатов длительного хранения вплоть до конца срока службы элементов питания.

Характеристики длительного хранения

XenoEnergy продолжает проводить испытания по фактическому долгосрочному хранению с 2000 г. Для проверки саморазряда в компании XenoEnergy используется микрокалориметрия. Этот метод относится к методам неразрушающего контроля и является эффективным и точным способом измерения саморазряда по измерению теплового потока от батарейки.

Порядок измерения выглядит следующим образом:

  1. Испытуемый образец взвешивается.
  2. Берётся контрольный образец той же массы, но без литиевой фольги.
  3. Контрольный образец помещается в калориметр и выдерживается несколько часов до состояния теплового равновесия.
  4. Измеряется тепловой поток контрольного образца — это диссипация, не связанная с саморазрядом, по этому параметру определяется нулевой уровень «фон».
  5. Аналогично проводятся измерения на испытуемом образце.
  6. После вычитания фона получает ся тепловой поток W вследствие саморазряда.
  7. Рассчитывается скорость саморазряда в год (S) по следующей формуле:

     Формула

    где C — номинальная ёмкость в ампер-часах.

  8. Имеется небольшое отклонение, вызванное образованием пассивационной плёнки, коррозией литиевого анода и разложением SOCI2.

Элемент питания XenoEnergy демонстрирует саморазряд на уровне ниже 1% после хранения в течение 1 года без разрядки при комнатной температуре. Обычно скорость саморазряда сначала несколько выше, но существенно снижается и продолжает неуклонно уменьшаться с течением времени. При более высоких температурах скорость саморазряда увеличивается (при +60 °С составит около 3,5%), а при низких — падает (рисунок 10).

Скорость саморазряда и потеря ёмкости — элементы XL-050F и XL-060F

Рисунок 10. Скорость саморазряда и потеря ёмкости — элементы XL-050F и XL-060F (при измерении микрокалориметром)

Характеристики длительной разрядки

Компания XenoEnergy также провела испытания фактической разрядки нескольких опытных образцов в течение длительного периода при отсутствии нагрузки с 2000 г. По основным моделям эти испытания проводились до настоящего времени при различных словиях базового тока, и проверялась интенсивность отказов, чтобы оценить надёжность нашей продукции в долгосрочной перспективе.

Ориентация элемента питания

Возможная ориентация элемента питания при разрядке

Рисунок 11. Возможная ориентация элемента питания при разрядке

Ориентация элемента питания может влиять на ёмкость во время разрядки, потому что может быть разным положение электролита и его количество, контактирующее с литием и катодом. Существует три возможные ориентации элемента, когда элемент питания устанавливается в питаемый прибор, как показано на рисунке 11.

  • При установке в вертикальном положении на ёмкость не оказывает влияния величина разрядного тока, будь он высокий, номинальный или низкий.
  • В горизонтальном положении на ёмкость элементов малых типоразмеров (1/2AA, 2/3AA, AA, 1/10D) не оказывает влияния величина разрядного тока, будь он высокий, номинальный или низкий. На ёмкость элементов больших типоразмеров (C, D) малый или номинальный разрядный ток не оказывает влияния, но если разрядный ток высокий, это может повлиять на ёмкость. (Можно ожидать снижение ёмкости при высоких значениях разрядного тока примерно на 15~30%.)
  • В перевёрнутом положении на ёмкость элементов малых типоразмеров (1/2AA, 2/3AA, AA, 1/1 OD) величина разрядного тока, будь он высокий, номинальный или низкий, оказывает меньшее влияние. Однако разрядный ток оказывает влияние на ёмкость элементов больших типоразмеров (C, D), особенно если это высокий ток. При установке в перевёрнутом положении литий и катод находятся в фиксированном положении, тогда как электролит опускается на дно в этом случае, и в верхней части элемента питания образуется область, где анод и катод не покрыты электролитом. Элементы питания большего типоразмера имеют большее пустое пространство, поэтому уменьшение ёмкости таких элементов в перевёрнутом положении будет больше, чем у элементов меньших типоразмеров (примерно на 20~40% ёмкости при таком же высоком токе разрядки).

По всем интересующим вопросам обращайтесь в компанию «Сканти» www.scanti.com.

Окончание следует.