Химические системы элементов питания

Химические системы элементов питания

Первичный химический источник тока (ХИТ) – не перезаряжаемый элемент питания, в быту называемый батарейка. Существует несколько групп широко распространенных бытовых элементов питания: щелочные, солевые, литиевые. Понятие "номинальная емкость" редко употребляется для характеристики бытовых элементов питания, так как их емкость сильно зависит от режимов и условий эксплуатации.

Солевые батарейки – первичные химические элементы с солевым электролитом. Номинальное напряжение у этих элементов составляет 1,55 В. Солевые батарейки имеют одну интересную особенность: при перерыве в работе они способны отчасти восстанавливать энергетические характеристики. Данные батарейки прекрасно подойдут для работы в устройствах с низким и средним потреблением тока, что связано с высокой экономической эффективностью работы, т.е. длительностью работы элемента, поделенной на его цену. Для примера их можно использовать в часах, пультах дистанционного управления, сигнализациях, детских игрушках, радиоприемниках. Бесспорным лидером в секторе солевых батареек является компания Sanyo. Причем батарейки этой фирмы лидируют как по продолжительности работы, так и по экономической эффективности. Дальше следуют GP, Toshiba и Maxell.

К достоинствам этих батареек относятся невысокая стоимость и большое количество выпускаемых типоразмеров. К числу недостатков солевых батареек относятся:

• резкое падение напряжения в течение разряда;
• значительное снижение отдаваемой емкости при увеличении разрядных токов до значений, необходимых для современных устройств;
• резкое ухудшение характеристик при отрицательных температурах;
• маленький срок хранения (порядка двух-трех лет).

Щелочные (Алкалиновые) батарейки – химические элементы со щелочным электролитом. Номинальное напряжение - 1,55 В. В сравнении с солевыми батарейками имеют более высокие емкость и удельную энергию (в 3-4 раза), в особенности при повышенных нагрузках и низкой температуре, но они более дорогие. Могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур, обладают лучшей герметизацией, меньшим током саморазряда и большим сроком эксплуатации - вплоть до 7 лет. Их главное достоинство - способность качественно работать при высоких токах разряда.

Так как емкость щелочных элементов питания существенно превышает емкость солевых, то их необходимо использовать в устройствах со средним и высоким потреблением энергии. Это электробритвы, плееры, диктофоны, а также фотовспышки и мощные фонари. В секторе солевых батареек большинство фирм идет вровень. По длительности работы впереди стоят такие батарейки, как Duracell и Energizer, а по экономической эффективности - Sony, Toshiba, TDK.

Литиевые батарейки – относительно новый тип элементов питания, в которых применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Имеют более высокую емкость и удельную энергию, более широкий интервал рабочих температур, лучшую работоспособность при пониженных температурах и меньшую скорость саморазряда, чем у солевых и щелочных аналогов. Могут иметь различные значения номинального напряжения: 1,5 и 3В. Они очень герметичны и обладают большими сроками хранения - вплоть до 15 лет.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству. Особо следует отметить, что литиевые элементы при их вскрытии могут быть взрывоопасными. Литиевые элементы обычно выпускаются в "дисковом" исполнении, также большое распространение получили такие батарейки как CR123, 2CR5 и CR2.

Литиевые батарейки бытового типа очень редки, к примеру, в России, до недавнего времени, только компания Energizer представляла литиевую батарейку типа АА. Применяются в фотографическом оборудовании, в наручных часах, калькуляторах, для поддержания памяти компьютеров и в схемах резервного питания, где требуется высокая сохранность и постоянство рабочего напряжения в течение многих лет эксплуатации. Для увеличения безопасности эксплуатации, литиевые элементы могут быть снабжены аварийными клапанами для сброса газа, плавкими предохранителями, тепловыми выключателями.

CR марганцево-литиевые элементы. Отличаются повышенной токоотдачей, предназначены для работы в приборах с высоким потреблением тока. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) - 3,5В, номинальное напряжение - 3В, хотя первоначальное напряжение при подключении нагрузки может быть и немного выше. Конечное напряжение - 2В. Рабочий диапазон температур, как правило, от -20 до +55 °С. Срок хранения - до 10 лет при саморазряде порядка 1% в год (и не более 2-2,5%).

BR Литий-фторуглерод. Эти элементы дороже, чем марганцево-литиевые, однако они сохраняют работоспособность при более высокой температуре, но при температуре ниже 0 °С и средних и больших токах разряда эти элементы уступают. НРЦ элемента составляет 3,2-3,3В, рабочее напряжение постоянно на протяжении почти всего разряда в широком интервале температур (от -40 до +85 °С). Конечное напряжение -2В. Элементы теряют не более 20% Сн, при хранении более 10 лет.

ER Литий-тионилхлорид (Li/SOCl2). Начальное напряжение на элементе - 3,67В или 3,93В, рабочее напряжение 3,3-3,5В в зависимости от тока разряда. Располагают наилучшими удельными характеристиками среди литиевых первичных источников тока, работоспособны в интервале температур от -60 до +85 °С, некоторые до +200 °С. Срок хранения до 10 лет при саморазряде 1,5-2% в год при 20 °С.

FR Литий-дисульфид железа. Удельная энергия этих элементов достигает 300 Втч/кг и 600 Втч/л, сохранность - 15 лет и более. Номинальное напряжение 1,5В. Они работоспособны при температуре -40-50°С. Li/FeS2 элементы имеют лучшие характеристики, в особенности при большой потребляемой мощности. В конструкцию обязательно вводятся элементы защиты для ограничения тока КЗ (2А для элементов типоразмера АА) и устройство отсоединяющие нагрузку при достижении температуры 85-95°С, а также аварийный клапан для сброса давления газа, которое может появиться при их разогреве до 130-160 °С.

Марганцево-цинковые дисковые элементы AG (LR). Срок хранения элементов составляет 5-7 лет, а иногда он достигает 10 лет. Номинальное напряжение - 1,55 В. Их главное достоинство - способность качественно работать при высоких токах разряда.

Ртутно-цинковые дисковые элементы M. Характеризуется горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной энергией, низким саморазрядом. К недостаткам относятся плохие характеристики при пониженных температурах, высокая стоимость и, самое главное, высокая токсичность ртути. Номинальное напряжение - 1,35 В. Применялись в медицинских устройствах, точных приборах и других устройствах. В последние годы из-за токсичности ртути в некоторых странах выпуск прекращен, в других странах существенно сокращен.

Серебряно-цинковые дисковые элементы S. Имеют гладкую разрядную кривую, высокую удельную энергию (производятся с емкостью до 200мАч), низкий саморазряд, могут работать при больших токах. Номинальное напряжение - 1,55 В. Применяются в часах, фотоаппаратах, слуховых аппаратах и других устройствах.

Воздушно-цинковые дисковые элементы PR. В них одним из активных элементов электрохимической реакции выступает воздух. Поэтому конструкция элементов предполагает наличие отверстий для беспрепятственного поступления воздуха. Обладают большой емкостью, не содержат токсичных веществ и имеют длительный срок хранения. Саморазряд при комнатной температуре - менее 2% в год. Но при хранении батарейки должны иметь заглушку, предупреждающую доступ воздуха до момента начала эксплуатации. Элементы имеют напряжение 1,4 В, емкость от 70 до 600 мАч и могут эксплуатироваться в диапазоне температур от -18 до 50 С. Применяются в основном в слуховых аппаратах, реже - в фототехнике.