Литиевые батарейки- их преимущества и недостатки

Литиевые источники тока по сравнению с алкалиновыми имеют ряд сильных преимуществ:

• они более долговечны
• сохраняют работоспособность при сильных морозах
• конструктивные особенности и химический состав исключают протечку электролита внутрь электроприбора.

Одним из самых сильных преимуществ лития заключается в том, что на его основе можно сделать мощную и долгую батарейку очень малого размера с высоким напряжением и высокой емкостью.

Особый интерес представляют литиевые батарейки размеров АА и ААА, которые имеют номинальное напряжение 1.5 Вольт, что соответствует напряжению привычной алкалиновой (щелочной) батарейки общего назначения. Зачем и почему так было задумано необходимо разобрать более подробно, мы постараемся предоставить максимально полную информацию.

Литиевые батарейки AA и AAA вызывают недоумение именно своим номинальным напряжением 1.5 Вольта. По общему мнению, литиевый элемент питания имеет напряжение в диапазоне 3.2-4.2 Вольт.

Данное утверждение справедливо, например, для Li-Ion (литий-ионных), Li-Pol (литий-полимерных), LiFePO4 (литий-железофосфатных), Li-SOCl2 (литий-тионилхлоридых), Li-MNO2 (литий-диоксид марганцевых) элементов питания.

Электролит литиевых батареек АА и ААА 1.5v выполнен из дисульфида лития и железа (Li-FeS2), который чаще называют металлическим литием. Металлический литий выдает напряжение разомкнутой цепи (клеммы новой батарейки) 1.85 Вольт, которое проседает под нагрузкой до 1.5 Вольт, что практически полностью (с незначительным и безопасным превышением) соответствует параметрам алкалиновой батарейки.

Все, оказывается, очень просто: батарейка не имеет внутри никаких секретов, никакого встроенного понижающего трансформатора, напряжение 1.5 Вольт выдает именно металлический литий, такова его химическая особенность.

Область применения литиевых батареек AA и AAA.

Energizer успешно произвел первую коммерчески доступную пальчиковую литиевую батарею АА с напряжением 1.5 вольта в 1989 году. Спустя 5 лет, в 2004 году, на рынок массово вышли элементы AAA. Спрос на эти элементы питания был продиктован, в первую очередь, подразделениями армии и флота.

Нужно было заменить щелочные батарейки в определенных устройствах с высоким энергопотреблением (прицелы, приборы ночного видения, дальномеры, металлоискатели) на более мощные, долгие, всепогодные, с минимальным саморазрядом и максимально возможным сроком хранения. Выдвигалось требование: напряжение элементов должно было остаться 1.5В.

Литиевые Li-FeS2 батарейки Energizer 1.5v стали такими элементами, после чего стали популярными у очень широкого круга пользователей.

Преимущества

• емкость
• мороз
• сроки хранения, вес
• стабильность.

Сравнение алкалина и металлического лития

Energizer опубликовал самые подробные сравнительные тесты на свои батарейки, поэтому удобнее опираться на их данные (при этом считаем, что они аналогичны у всех известных производителей). Источники тока с металлическим литием, в отличие от алкалиновых аналогов, имеют практически неизменную емкость независимо от тока нагрузки.

Возьмем, например, алкалиновый элемент Energizer Alkaline и посмотрим какую емкость он имеет при нагрузке разным током (т.е. работа в приборах разной мощности):

▪ 2230 мАч при нагрузке 0.1А
▪ 1870 мАч при нагрузке 0.2А
▪ 1130 мАч при нагрузке 0.5А
▪ 500 мАч при нагрузке 1.0А

Как видно из теста, при большой нагрузке емкость алкалина проседает в четыре раза.

Теперь емкость литиевой батарейки Energizer Ultimate Lithium:
▪ 3620 мАч при нагрузке 0.05А
▪ 3620 мАч при нагрузке 0.25А
▪ 3600 мАч при нагрузке 0.5А
▪ 3300 мАч при нагрузке 1.0А

Сравнение алкалина и металлического лития позволяет сделать вывод, что литиевые батарейки 1.5v максимально эффективны для приборов и устройств с очень высоким потреблением энергии:

• фотовспышки
• радиоуправляемые игрушки
• современные многорежимные фонари с мощными диодами и т.п.

Кроме того, литиевые источники тока имеют практически неизменное напряжение на всем сроке службы.

Например, используя в рации алкалиновые батарейки вы заметите, что постепенно сокращается радиус действия, появляются помехи — это падает напряжение элемента. С литием таких проблем не будет, батарейка будет иметь практически неизменное напряжение до полного истощения, рация будет работать корректно.

Обезвоженный электролит Li-FeS2 позволяет использовать литиевые батарейки AA и AAA в сильнейшие морозы. При температуре -40°С и сильной нагрузке в 1А батарейки Li-FeS2 перестают работать, но при более низких токах 0.25 и 0.5 Ампер продолжают работать даже при температуре -50°С.

Алкалиновые источники не способны на это, максимум, на что вы можете рассчитывать — это очень непродолжительная работа при температуре -20°С.

Литиевые батарейки незаменимы в условиях выживания, экстремального зимнего туризма, на охоте, рыбалке. В повседневной жизни в зимнее время используются, например,

• в уличных датчиках метеостанций
• сигнализаций
• систем наблюдения
• фотоловушках и т.п.

В резервный фонарь, хранящийся в неотапливаемом гараже, также лучше ставить такие батарейки — фонарь может лежать годами, а в нужное время в любую погоду у вас гарантированно будет источник света.

Литиевые батарейки AA и AAA имеют очень низкий саморазряд. Energizer гарантирует сохранение технических характеристик в течение 20 лет со дня выпуска.

Также, данные элементы питания имеют легкий вес, не утяжеляют багаж или электроустройство, их удобно брать с собой в путешествия, особенно в такие места где нет возможности заряжать аккумуляторные батареи.

Ценовая политика.

Литиевые батарейки АА и ААА 1.5В стоят в несколько раз дороже алкалиновых, это их единственный недостаток.

Цена напрямую зависит от стоимости лития и достаточно сложного производства. Нет никакого смысла покупать такие батарейки для использования в телевизионном пульте. Это надежные и долгие батарейки для самых мощных электроприборов и самых сложных погодных условий (-40°С ~ +60°С).

Маркировка.

Литиевые батарейки АА и ААА имеют маркировку FR.

Плоские литиевые батарейки-таблетки напряжением 3 Вольта. Такие элементы часто используются в

• наручных электронных часах
• автомобильных ключах
• пультах
• напольных и кухонных весах и т.п.

Имеют маркировку CR, после которой указывается диаметр (первые две цифры) и высота (вторые две).

Например, достаточно редкая батарейка CR2412 имеет диаметр 24мм и высоту 1.2мм. Самые популярные размеры плоских батареек могут иметь приваренные точечной сваркой выводы для пайки.

Виды

Батарейки для счётчиков.

Элементы питания этой категории имеют номинальное напряжение 3.6 Вольт. Используются в различных измерительных приборах, охранных системах, оборонной и космической промышленности.

Батарейки для счетчиков имеют химический тип Li-SOCl2 (литий-тионилхлорид). Для удобства электромонтажа могут иметь выводы для пайки или провода с коннектором.

В ассортименте представлена продукция

• SAFT (родина бренда и страна производства Франция)
• Robiton (родина бренда Россия, страна производства Китай).

Имеются высокотоковые и высокотемпературные элементы. При заказе батарейки в счетчике вам необходимо выбрать и заказать правильный размер. Размер всегда указывается в маркировке на корпусе элемента, например:

SAFT LS 14500, где первые две цифры — диаметр (14мм), оставшиеся — высота (50мм)
Robiton ER 14505, где первые две цифры — диаметр (14мм), оставшиеся — высота (50.5мм)

Оба рассмотренных элемента имеют размер обычной пальчиковой батарейки АА, являются самыми популярными источниками тока в бытовых измерителях. На втором месте батарейка 14250 — половина пальчиковой.

Прямоугольные литиевые батарейки 6 Вольт.

Элементы питания такого формфактора чаще всего используются в сантехнике.

2CR5 — батарейка для сенсорного смесителя, CR-P2 — батарейка для сенсорного писсуара. Эти батарейки часто можно встретить в профессиональной фототехнике, осветительных приборах, медицинском оборудовании.

Многие даже не знают о существовании литиевых батареек AA/AAA — их редко можно встретить в супермаркетах, ведь они значительно дороже других батареек.

Цена одной литиевой батарейки составляет от 120 до 225 рублей.

Однако такие батарейки выпускаются, продаются и в определенных случая их применение оправдано, несмотря на высокую стоимость:

• работа при отрицательных температурах;
• использование в аппаратуре, где важен каждый грамм веса (литиевые батарейки почти вдвое легче щелочных);
• питание устройств, требующих замены батареек при небольшом снижении напряжения;
• применение там, где важна максимальная ёмкость.

Тестирование моделей литиевых батареек AA

Я протестировал пять моделей литиевых батареек AA (такие батарейки имеют обозначение FR6) и четыре модели AAA (FR03) и сравнил их с самыми ёмкими на сегодняшний день щелочными батарейками «Фотон X» и дешёвыми батарейками «FLARX», которые продаются в магазинах Fix Price.

Я использую два режима тестирования для того, чтобы определить

• максимальную ёмкость батарейки
• ёмкость при высокой нагрузке (устройства с электромоторами).

В первом режиме батарейки разряжаются током 100 мА до напряжения 0.7 В, во втором разряд происходит эквивалентом сопротивления 3.9 Ом для AA и 5.1 Ом для AAA, в обоих случаях до напряжения 0.9 В.

Режим разряда сопротивлением 3.9/5.1 Ом часто приводится в Datasheet, поэтому я выбрал такие же режимы, чтобы было можно сравнить мои результаты с характеристиками, приводимыми производителями.

Тестирование я проводил с помощью Анализатора химических источников тока Яростанмаш АСК2.5.10.8. Батарейки разряжались током 10 мА до 0.8 В. Тестировалось по два экземпляра батареек.

Лучшими во всех тестах стали батарейки Energizer Ultimate Lithium (к сожалению Energizer ушёл из России и сейчас продаются остатки).

Российские батарейки Энергия Lithium, которые действительно производятся в городе Елец (многие не могут поверить, что их именно производят у нас, а не перепаковывают китайские) отстают от победителя на 12% (AA) и на 21% (AAA).

Интересно, что щелочные батарейки «Фотон X» AAA опередили по ёмкости литиевые «Энергия Lithium» в режиме разряда малым током, но на большом токе литиевые всё же победили.

Графики разряда литиевых и щелочных батареек существенно отличаются: напряжение щёлочных батареек в процессе разряда падает плавно, у литиевых в течение первых 80% разряда снижение напряжения гораздо меньше, а потом начинается резкое падение напряжения.

У этого есть как плюсы (напряжение выше и некоторые устройства, требующие замены батареек уже при небольшом снижении напряжения работают гораздо дольше), так и минусы: индикаторы уровня заряда в устройствах, рассчитанных на щелочные батарейки, с литиевыми работают неправильно, долго отображая стопроцентный заряд.

Литиевые батарейки AA (FR6) и AAA (FR03) в среднем имеют на треть больший запас энергии, чем щелочные (alkaline), но в отдельных случаях устройства с ними могут работать даже в десять раз дольше.

Депассивирование литиевых батареек с напряжением 3.6 Вольт.

Многие покупатели в процессе поиска батарейки для счетчика сталкиваются с информацией о том, что литиевые источники тока с напряжением 3.6 Вольт необходимо “депассивировать” (очень грубо говоря — оживить, удалив образовавшийся во время длительного хранения защитный слой на аноде) перед установкой в прибор.

Необходимо, но только в том случае, если батарейка несколько лет хранилась на складе и ее стартовое напряжение заметно снизилось.

Батарейки SAFT и Robiton.

Это лидеры сегмента, их продукция популярна, востребована, никогда не залеживается на складе, полностью обновляется раз в квартал или полгода в зависимости от размера элемента. Купив литиевую батарейку SAFT или Robiton, вы можете установить ее в прибор сразу после покупки, она свежая, полностью соответствует заявленным характеристикам, в депассивации не нуждается.

Ниже простым, нетехническим языком предоставлена информация о применении, пассивации и депассивации литиевых батареек с напряжением 3.6 Вольт.

Применение литиевых батареек с напряжением 3.6 Вольт.

Тионилхлоридные батарейки 3.6 V Li-SoCl₂ относятся к семейству литиевых первичных (одноразовых) элементов питания. Обычные литиевые батарейки могут иметь номинальное напряжение 1.5 Вольта (дисульфид лития и железа Li-FeS2) или 3 Вольта (литий-диоксид марганца Li-MnO2).

Батарейки с химическим типом Li-SoCl₂ имеют более высокое напряжение 3.6 Вольт, которое остается неизменным до полного разряда элемента. Батарейки с напряжением 3.6v используются в приборах и устройствах, требующих для питания низкие токи в течение длительного периода времени.

Такими устройствами являются:

• счетчики газа и воды
• датчики систем безопасности
• резервное питание программного обеспечения банкоматов
• приборы и устройства космической и оборонной отрасли
• высотомеры парашютов и т.п.

Тионилхлоридные батарейки нельзя заряжать повторно, однако, из-за их длительного срока службы эта характеристика не имеет большого значения в повседневном использовании.

Фактически, такие батареи обеспечивают электропитание приборов в течение нескольких лет прежде чем их потребуется заменить.

Литиевые тионилхлоридные батареи предназначены для использования в диапазоне температур от -60 до +85 градусов Цельсия. Даже при самых сильных морозах сохраняют высокое напряжение и обеспечивают бесперебойное электропитание приборов.

Пассивация литиевых батареек с напряжением 3.6 Вольт.

В отличие от всех других литиевых элементов питания, анод батарейки Li-SoCl₂ реагирует с электролитом. В результате этой химической реакции на литиевом аноде образуется защитная пленка из кристаллов хлорида лития, препятствующая потоку ионов между анодом и катодом батареи. Это явление называется пассивацией.

Пассивация обеспечивает невероятно долгий срок хранения батареек 3.6 V вследствие чрезвычайно низкой скорости саморазряда. В среднем литий-тионилхлоридный элемент теряет не более одного процента своей общей емкости в год. Без потери емкости батарейки 3.6 v могут храниться более 10 лет.

Степень пассивации (толщина защитной пленки) увеличивается в процессе хранения и при высокой температуре хранения. У пассивации есть свои преимущества и незначительные недостатки.

С одной стороны, пассивация отвечает за низкую скорость саморазряда батареи и возможность длительного хранения без утраты характеристик. С другой стороны, образующаяся защитная пленка может стать препятствием для протекания тока при вводе батареи в эксплуатацию. У свежих элементов питания защитная пленка не имеет большой толщины и разрушается самостоятельно после ввода батарейки в эксплуатацию.

Депассивация литиевых батареек с напряжением 3.6 Вольт.

• Естественная
• Принудительная

При длительном хранении без нагрузки (как правило более 3х лет) защитный слой на аноде литий-тионилхлоридной батарейки может приобрести толщину, которая препятствует протеканию тока и провоцирует падение рабочего напряжения элемента питания.

Если номинальное напряжение только что установленной батарейки Li-SoCl₂ при стандартном токе разряда находится выше 2.8 Вольт, то при последующей непрерывной нагрузке оно самостоятельно повысится до своего нормального уровня 3.6 Вольт, поскольку постепенно разрушится защитная пленка на аноде. Это процесс естественной депассивации.

Если номинальное напряжение не повышается, или оно изначально находится в интервале 2.3-2.7 Вольт, будет необходимо провести принудительную депассивацию. Для этого существует два способа.

Первый способ.

Необходимо с помощью резистора с постоянным сопротивлением на определенное время закоротить контакты батарейки. Во время замыкания с помощью тестера необходимо замерять уровень напряжения.

Как только напряжение достигнет 3.2 Вольт необходимо разомкнуть контакты — батарейка депассивирована. В течение часа напряжение самостоятельно поднимется до уровня 3.6 Вольт. Продолжительность нагрузки и размер резистора для каждого элемента указаны в таблице ниже.

Второй способ.

Депассивация проводится с помощью разрядного устройства, которое дает возможность выбрать величину тока и время нагрузки.