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, такие 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:

{\mathsf {4Li+2SOCl_{2}\rightarrow 4LiCl+S+SO_{2}}}

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 вольт, 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

CR-V3

Примечания

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

Search