Żywotność baterii zależy od odpowiedniego doboru składu chemicznego

Długi czas pracy baterii jest kluczowy w takich aplikacjach jak Internet Rzeczy (IoT), bezprzewodowe sieci czujników (WSN), inteligentne liczniki, elektronarzędzia, przenośne urządzenia medyczne czy ręczne oświetlenie LED. Coraz częściej kluczem do długiej żywotności jest wybór substancji chemicznych, z których zbudowana jest bateria litowa (Li), ale która z obecnie stosowanych konstrukcji jest najlepsza? Podstawowe substancje chemiczne, takie jak dwusiarczek litowo-żelazowy (Li/FeS₂), dwutlenek litowo-manganowy (LiMnO₂) i chlorek tionylowo-litowy (Li-SOCl₂) mogą zapewnić wieloletnią żywotność baterii, jednak nadają się do różnych zastosowań. Ponadto, żywotność baterii zależy nie tylko od chemii; jest ona również zależna od konstrukcji baterii, sposobu poboru energii i innych czynników.

Wybór najlepszej chemii zależy od zastosowania: Czy Twoja aplikacja wymaga długiego okresu trwałości? Niski pobór przez dłuższy czas? Wysoki pobór po długich okresach bezczynności? Odpowiedzi między innymi na te, pytania pomogą określić, którą baterię powinieneś wybrać, aby osiągnąć długą żywotność.

Rozważmy kompromisy między szybkością rozładowania impulsowego i ciągłego, gęstością energii, temperaturą roboczą i szczegółami konstrukcyjnymi, korzystając z rzeczywistych przykładów akumulatorów firm Energizer, Zeus Battery Products, Jauch Quartz i Tadiran.

Li/FeS₂: szybkie rozładowanie i długi okres trwałości

Baterie Energizer Ultimate Lithium różnią się od baterii alkalicznych tej firmy zarówno pod względem chemicznym, jak i pod względem ich budowy. Już sam dwusiarczek litowo-żelazowy Li/FeS₂ zapewnia dobrą pojemność, jednak w połączeniu ze spiralną konstrukcją, zapewniającą 20-krotnie większą powierzchnię w porównaniu z konwencjonalnym ogniwem alkalicznym, baterie te mają większą pojemność i są odpowiednie dla aplikacji wymagających szybkiego rozładowania (Rysunek 1).

Rysunek 1: Profile rozładowania dla L92 Li/FeS₂ AAA przy trzech różnych szybkościach rozładowania (po lewej) i pojemności w zależności od prądu rozładowania dla L92 w porównaniu z konwencjonalnym ogniwem alkalicznym (po prawej). (Źródło obrazu: Energizer)

Na przykład ogniwo 1,5 V L92 AAA ma pojemność nominalną 1,2 amperogodzin (Ah), obsługuje maksymalny prąd rozładowania ciągłego 1,5A i może dostarczać impulsy do 2,0A przez 2 sekundy (s). L92 ma trwałość 20 lat w temperaturze 21°C i zakres temperatur pracy od -40 do +60°C. Ta kombinacja właściwości sprawia, że ​​baterie te są przydatne w zastosowaniach wymagających dużego zużycia energii, takich jak kontrolery gier, GPS, latarki LED, zdalnie sterowane zabawki napędzane silnikami czy poziomice laserowe.

LiMnO₂: niska lub średnia moc

Jeśli projekt będzie wymagał umiarkowanie wysokiego poboru po dłuższym okresie bezczynności, najlepszym wyborem mogą być baterie oparte o dwutlenek litowo-manganowy, LiMnO₂. Tego typu aplikacje obejmują kontrolę dostępu, nadajniki lokalizacji awaryjnej, boje sonarowe, czujniki monitorujące niebezpieczne środowisko czy RFID. Ponieważ elektrody w tych ogniwach nie tworzą warstwy pasywacyjnej, nawet po długich okresach bezczynności, tego typu baterie dostarczają natychmiastowe impulsy prądu.

Akumulatory LiMnO₂ mogą dostarczać 3,0V przy dość płaskiej krzywej rozładowania i mogą obsługiwać średnie impulsy prądowe (Rysunek 2). Na przykład bateria CR-2 LiMnO2 firmy Zeus ma pojemność 800 miliamperów (mA), stopień samorozładowania poniżej 3% rocznie w temperaturze 20°C i może wytrzymać obciążenie impulsowe 900 mA przez 3s. Podobnie jak ogniwa Energizer Ultimate Lithium Li/FeS₂, akumulatory LiMnO₂ mają zakres temperatur pracy od -40 do +60°C.

Rysunek 2: Ogniwa LiMnO₂ mają bardziej płaską krzywą rozładowania w porównaniu z ogniwami Li/FeS₂ i mogą dostarczać niskie lub średnie prądy przez dłuższy czas. (Źródło: Zeus Battery Products)

Li-SOCl₂: wysoka gęstości energii oraz długi, niski pobór mocy

W przeciwieństwie do akumulatorów LiMnO₂, ogniwa oparte o chlorek tionylowo-litowy, Li/SOCl₂ tworzą warstwę pasywacyjną, która powoduje bardzo niski poziom samorozładowania. Dzięki temu mogą pozostawać nieaktywne przez długi czas przy minimalnej utracie pojemności ogniwa. Pasywacja utrudnia jednak również przepływ prądu w chwili, gdy akumulator rozpoczyna zasilanie odbiornika, ograniczając dostępną natychmiastowo moc szczytową. Warstwa pasywacji zanika przy ciągłym rozładowywaniu i odbudowuje się, gdy bateria ponownie przechodzi w stan braku aktywności.

Implikacje dla projektu są takie, że akumulatory Li/SOCl₂ są szczególnie odpowiednie do zastosowań o niskim poborze mocy, pracujących w trybie ciągłym, takich jak bezprzewodowe czujniki IoT, mierniki mediów, bezprzewodowe urządzenia zabezpieczające i systemy śledzenia aktywów.

Akumulatory Li-SOCl₂ są dostępne w wersji zwijanej spiralnie lub szpulkowej (ang. bobbin). Ogniwa typu szpulkowego zapewniają znacznie wyższą gęstość energii i są czasami określane jako ‘ogniwa energetyczne’. Ogniwa ze spiralnym zwojem zapewniają wyższe wartości prądu ciągłego i szczytowego i są nazywane ‘ogniwami mocy’. Oba typy dostarczają nominalną moc wyjściową 3,6V i mają płaskie krzywe rozładowania (Rysunek 3).

Rysunek 3: Akumulatory Li/SOCl₂ mają bardziej płaską krzywą rozładowania niż LiMnO₂ i Li-SOCl₂, co czyni je szczególnie przystosowanymi do zastosowań o niskim poborze mocy, pracujących w trybie ciągłym. (Źródło: Jauch)

Ogniwa szpulkowe mogą zwiększać gęstość energii do 710 watogodzin na kilogram (Wh/kg). Przykładami akumulatorów szpulkowych Li-SOCI₂ są ER14250J-S 1/2AA firmy Jauch o pojemności 1,2 Ah i zakresie temperatur pracy od -60 do +85°C oraz TL-5903/T AA firmy Tadiran o pojemności 2,4 Ah i zakresie temperatur pracy od -55 do +85°C.

Wnioski

Z trzech rozważanych w artykule rodzajów chemii, Li/FeS₂ może obsługiwać najwyższe szybkości rozładowania i prądy impulsowe, ale przy napięciu roboczym 1,5V ma niższą gęstość energii. Z drugiej strony, Li/SOCl₂ są przystosowane do długoterminowego dostarczania niskich poziomów mocy i zapewniają najwyższą gęstość energii. Baterie LiMnO₂ lokują się pomiędzy dwoma wymienionymi typami pod względem gęstości energii i nadają się do zastosowań, które wymagają niskich lub umiarkowanych poziomów mocy przez długi czas a które okresowo wymagają natychmiastowych impulsów mocy.

Oczywiście, aby zapewnić długą żywotność baterii trzeba wziąć pod uwagę o wiele więcej czynników, ale szybkie przyjrzenie się kluczowym parametrom chemii, o która oparta jest bateria litowa, jest dobrym punktem wyjścia.

Żródło: © Digi-Key

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl