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.

Литиевый (Li/FeS2) гальванический элемент формфактора АА, 1,5 В[1]
Литий-железо-дисульфидные (Li/FeS2) гальванические элементы формфактора АА, 1,5 В
Литиевые гальванические элементы формфактора CR123A, 3 В
Миниатюрный литиевый гальванический элемент ДМЛ-120 (МЛ2325, аналог CR2325)
Устройство миниатюрного литиевого элемента CR2032

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.

ИсторияПравить

ДостоинстваПравить

К достоинствам литиевых элементов можно отнести[2]:

  • меньшую, чем у серебра и ртути, дефицитность;
  • возможность выполнения особо плоских элементов (толщиной 1-1,5 мм), позволяющих производить особо плоские устройства, 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 процессыПравить

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 катодПравить

В качестве положительного электрода в т. н. литийтионилхлоридных батарейках применяется тионилхлорид. Химический процесс в батарее:

 

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]

ПрименениеПравить

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.

ТипоразмерыПравить

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. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Energizer EA91 (Lithium/Iron Disulfide (Li/FeS2)), официальное описание производителя.
  2. Варламов Р. Г. Современные источники питания. Справочник. М.: ДМК, 1998. — 192 с. ISBN 5-89818-010-9
  3. Duracell Duracell Primary Lithium Coin Cell Article Information Sheet (недоступная ссылка) (1 июля 2015). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 3 января 2018 года.
  4. Energizer Energizer Product Safety Data Sheet, Coin/Button Lithium Manganese Dioxide Batteries (недоступная ссылка) (1 января 2017). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 8 сентября 2017 года.
  5. DongGuan TianQiu Enterprise Co., Ltd Material Safety Data Sheet, Li-Mn Button Cell CR2025 (недоступная ссылка) (1 января 2016). Дата обращения: 2 января 2018. Архивировано 3 января 2018 года.
  6. Mallela, V. S.; Ilankumaran, V.; Rao, N. S. (2004). “Trends in cardiac pacemaker batteries”. Indian Pacing and Electrophysiology Journal. 4 (4): 201—212. PMC 1502062. PMID 16943934.
  7. Electronic Components - Panasonic Industrial Devices (недоступная ссылка). www.panasonic.com. Архивировано 13 ноября 2013 года.
  8. Electronic Components - Panasonic Industrial Devices (недоступная ссылка). www.panasonic.com. Архивировано 25 ноября 2013 года.
  9. Eftekhari, Ali (2017). “The rise of lithium–selenium batteries”. Sustainable Energy & Fuels. 1: 14—29. DOI:10.1039/C6SE00094K.
  10. 1 2 Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R. S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A. (2012). “A Critical Review of Li∕Air Batteries”. Journal of the Electrochemical Society. 159 (2): R1. DOI:10.1149/2.086202jes.
  11. Large-Format, Lithium Iron Phosphate (недоступная ссылка). JCWinnie.biz (23 февраля 2008). Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 18 ноября 2008 года.
  12. 1 2 Great Power Group, Square lithium-ion battery. Дата обращения: 31 декабря 2019.
  13. All About Batteries, Part 7: Lithium Thionyl Chloride
  14. Особенности работы литий-тионилхлоридных батарей (недоступная ссылка). Дата обращения: 1 октября 2020. Архивировано 22 июля 2019 года.