Литиевые элементы питания фирмы Forte

PDF версия
Forte — китайская компания, основанная в 2001 году инженерами-исследователями с 20 летним стажем, — один из лидеров по выпуску литиевых элементов питания в Юго-Восточной Азии. На фабрике действует шесть производственных линий, а годовой объем продукции составляет 15 млн штук. Батарейки Forte соответствуют международным стандартам качества, подтвержденным сертификатами испытаний. Широкий температурный диапазон работы источников питания (–60…+150 °C) обеспечивает надежное и бесперебойное функционирование приборов. Forte гарантирует длительный срок эксплуатации батареек — 5–7 лет, а при соблюдении технических условий возможность хранения до 10 лет практически без потери мощности (1% в год).
Конструкция щелочной батареи

Рис. 1. Конструкция щелочной батареи

Типы химических источников тока

Приемники, фонари, датчики пожарной или охранной сигнализации, счетчики, портативные приборы, автономные системы GPS и даже космические зонды — питание подобного оборудования обеспечивают химические источники тока (далее — ХИТ). Во множестве современных устройств от игрушечных моделей до промышленных контроллеров используются химические элементы питания, в быту — батарейки.

На данный момент на рынке присутствует три принципиально различных по эксплуатационным характеристикам и стоимости класса химических источников тока: так называемые солевые, алкалиновые (щелочные) и литиевые.

Солевые и щелочные ХИТ в целом имеют схожую конструкцию (рис. 1) и различаются лишь веществом электролита и порядком расположения элементов. Анодная паста (3), представляющая собой цинковый порошок, пропитанный загущенным щелочным электролитом, помещается во внутреннюю часть элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). Анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом, от активной массы, смеси диоксида марганца и графита (5). В отличие от солевого элемента положительный вывод выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек. Прокладка (8) воспринимает давление газов, образующихся при работе. Выделение газов в щелочном элементе значительно меньше, чем в солевом, поэтому объем камеры для их сбора тоже меньше. Для предотвращения взрыва батареи при неправильном использовании, например при коротком замыкании, в ней установлена предохранительная мембрана (7). При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента, что обычно приводит к течи электролита.

Однако солевые элементы имеют значительно меньший допустимый ток разряда и срок хранения, чем щелочные, и могут нормально эксплуатироваться только в комнатных условиях, что накладывает серьезные ограничения на перечень устройств, в которых допустимо их использование. Достаточно широкое предложение солевых батареек на рынке объясняется в основном их крайне низкой стоимостью, а сфера распространения ограничивается ИК-пультами дистанционного управления и настенными часами, так как они практически непригодны для работы при низких температурах или больших токах потребления.

Щелочные же элементы имеют стоимость в несколько раз выше, чем солевые, но их емкость уменьшается при увеличении тока разряда и снижении температуры менее резко, нежели у элементов с солевым электролитом. Удельная емкость элементов на основе щелочного электролита при разряде малыми токами приблизительно в 1,5 раза превышает удельную емкость элементов с солевым электролитом. При разряде большими токами различие увеличивается до 4–10 раз. Кроме того, постепенно стоимость данных ХИТ снижается, и в итоге в силу лучшего соотношения цены/качества они имеют уже большее распространение, чем солевые. Однако использование в условиях низких температур все равно ограничено.

Относительно недавно на рынке появились литиевые химические источники тока, призванные исправить все недостатки более старых элементов питания. В настоящее время представлена целая серия различных по конструкции, по используемым электролитам, а значит, и по эксплуатационным характеристикам типов батарей. Рассмотрим два основных вида литиевых батарей: Li-MnO2 (литий-диоксидмарганцевые) и Li-SOCl2 (литий-тионилхлоридные). В целом, литиевые батареи основаны на тех же принципах, что солевые и щелочные, но в качестве катода используется литий, а в качестве анода — другое химическое соединение, в описанных типах это MnO2 и SOCl2. Кроме того, в литиевых ХИТ отсутствуют вредные вещества, в частности ртуть, кадмий и свинец.

Существует две структуры укладки электродов: катушечная и спиральная. Батареи катушечного типа характеризуются отдачей заряда малым током (порядка десятков миллиампер) и, соответственно, рекомендуются для применения в устройствах с низким потреблением. Это могут быть резервные запоминающие устройства, часы, календари, счетчики воды и газа, автомобильная электроника, батареи часов реального времени, в том числе в промышленных контроллерах, имеющих повышенные требования к эксплуатационным режимам. ХИТ со спиральными электродами предназначены для больших токов непрерывного потребления, а также для устройств, действующих в импульсном режиме потребления.

Сравнивая два типа элементов, отметим, что различия катушечного и спирального типа заключаются в соотношении нагрузочной способности и емкости: батареи катушечного типа имеют меньшую нагрузочную способность, но большую емкость, чем спиральные. В конечном итоге тип конструкции не важен, а при выборе элемента питания необходимо смотреть на такие характеристики, как максимальный ток разряда и емкость.

Главная особенность литиевых элементов питания — очень большая продолжительность хранения в нерабочем состоянии, достигающая десятков лет с сохранением потенциала, что позволяет делать автономные устройства с длительным пассивным режимом и большим потреблением тока по некоторому событию, что невозможно со старыми типами в силу их недолговечности. Кроме того, особенностью таких батарей является их способность выдерживать широкий температурный диапазон (–40…+85 °C), что предполагает использование данных элементов питания не только в потребительской электронике, но и в современных системах безопасности и областях, предусматривающих большой температурный разброс. Некоторые литиевые батареи, как, например, Forte ER14505S, ER26500S из высокотемпературной серии, имеют немыслимый для щелочных источников тока допустимый диапазон –40…+150 °C.

Рассмотрим основные характеристики этих батарей на примере разработанных и изготовленных Forte, заметим, что в них используются запатентованные компанией технологии, что может существенно улучшить соотношение цены/качества относительно других предложений на рынке. Кстати, наиболее известные компании-производители, в частности Duracell, GP, Energizer, практически не имеют в своем ассортименте литиевых элементов напряжением 3 и 3,6 В в корпусах, отличных от «корпуса-таблетки».

 

Литий-диоксидмарганцевые батареи

Наиболее распространен и изучен тип литиевых батареек, имеющий твердый положительный электрод, изготовленный из термообработанного диоксида марганца MnO2. В результате реакции разряда образуется оксид лития. Этот тип батареек имеет в наименовании буквы СR. Литий-диоксидмарганцевые ХИТ характеризуются высоким напряжением, высокой удельной энергией и стабильной кривой разряда и часто используются в качестве резервной батареи. Цилиндрическая батарея литиево‑марганцевого типа, изготовленная Forte (рис. 2), также обладает высокими характеристиками безопасности, низким внутренним сопротивлением и, как следствие, возможностью обеспечивать значительные токи разряда до 2 A, скажем у батареи CR18505.

Литий-диоксидмарганцевые батареи

Рис. 2. Литий-диоксидмарганцевые батареи Forte

Высокое и стабильное рабочее напряжение является главной характеристикой этих элементов: напряжение на батарее выше 3 В, рабочее напряжение 2–3,2 В сохраняется стабильно в течение всего срока службы. Рабочий диапазон температур неспециализированных моделей составляет –40…+85 °C. Концентрация энергии батарей такого типа, производимой Forte, достигает 400 Вт/кг, или 600 Вт/л. Литий-диоксидмарганцевые батареи Forte имеют крайне низкий саморазряд (годовая скорость саморазряда меньше или равна 1%), а также используют оболочку из нержавеющей стали и герметичную сварку, поэтому срок хранения при комнатной температуре может превышать 10 лет. Батареи не содержат тяжелых металлов, таких как ртуть, кадмий и свинец, поэтому исключается опасность для окружающей среды.

Более того, если сравнивать распространенные модели батарей Forte и GP (рис. 3), то Forte, например, при разряде на сопротивлении 120 Ом показывает результаты, эквивалентные аналогичной, но более дорогой батарее GP. При этом у батарей Forte более широкий диапазон рабочих температур: –40…+85 °C против –40…+60 °C у GP.

Разрядная характеристика батарей

Рис. 3. Разрядная характеристика батарей при +23 °С:  a) Forte и  б) GP

Область применения включает, но не ограничивается платами CMOS, различными интеллектуальными счетчиками и датчиками, резервными источниками питания, беспроводными датчиками дыма и температуры, системами удаленного мониторинга, к которым относятся устройства позиционирования и системы морской телеметрии, автомобильной электроникой (системы контроля давления в шинах). В промышленности такие батареи устанавливают в приборах и оборудовании для автоматизации, нефтяных скважинах, шахтах, медицинской аппаратуре, охранных сигнализациях, беспроводной связи и множестве других устройств. Найдется применение для них и в области национальной обороны: в авиации, космических системах, морской электронике, интеллектуальных боеприпасах.

 

Литий-тионилхлоридные батареи

Химическое строение тионилхлорида

Рис. 4. Химическое строение тионилхлорида

Отрицательным электродом батареи Li-SOCl2 является металл Li, а положительным активным материалом и раствором электролита — тионилхлорид (рис. 4). Такие батареи обладают наибольшей удельной энергией и удельной мощностью среди всех используемых химических источников энергии и широко применяются во множестве современных электронных устройств.

Основные характеристики данных батарей (рис. 5) — высокое и стабильное рабочее напряжение, широкий диапазон рабочих температур, длительный срок службы и безопасность. Стандартное напряжение элементов составляет 3,6 В, а рабочее напряжение поддерживается стабильным в течение всего срока службы. Батареи этого типа могут отдать порядка 90% емкости с неизменным напряжением. Рабочий диапазон температур, как правило, –60…+85 °C. Плотность энергии батареи Li-SOCl2 производства Forte составляет до 430 Вт/кг, или 1,08 Вт/л. Литий-тионилхлоридные батареи имеют крайне низкий саморазряд (годовая скорость саморазряда меньше или равна 1%), в них использована оболочка из нержавеющей стали и герметичная сварка, поэтому срок хранения при комнатной температуре может превышать 10 лет.

Литий-тионилхлоридные батареи

Рис. 5. Литий-тионилхлоридные батареи Forte

Например, батарея ER14505 типоразмера AA имеет номинальную емкость 2700 мА·ч и способна работать в течение года (рис. 6) при токе разряда 0,5 мА, выдавая стабильное напряжение в течение всего срока службы.

Подобные батареи в основном имеют промышленное применение. Платы CMOS, различные интеллектуальные счетчики: электрические счетчики, счетчики воды, тепла и газа, резервные источники питания, например для питания контроллеров RAID, различные беспроводные датчики, в том числе датчики дыма или температуры, системы удаленного мониторинга, в частности устройства позиционирования и системы морской телеметрии и портовой и речной навигации (устройства, расположенные на буях). Автомобильная электроника: системы контроля давления в шинах. В оборудовании для автоматизации, нефтяных скважинах, шахтах, медицинском оборудовании, охранной сигнализации, беспроводной связи и множестве других применений. Применяются они и в оборонной промышленности: авиации, космических системах, морской электронике, интеллектуальных боеприпасах и многом другом.

Разрядная характеристика батареи ER14505

Рис. 6. Разрядная характеристика батареи ER14505

 

Батареи для специального применения

Кроме классических модификаций батарей с большой емкостью или большой мощностью, Forte предлагает две практически уникальные серии: высокотемпературные элементы и батареи в мягком корпусе.

Батареи Forte высокотемпературной серии

Рис. 7. Батареи Forte высокотемпературной серии

Высокотемпературная серия

Материалы и процесс изготовления высокотемпературных батарей Li-SOCl2 Forte (рис. 7) отличаются от обычных источников тока. Стальная оболочка и группа покрытий имеют высокотемпературную структуру, поэтому высокотемпературная батарея Li-SOCl2, производимая Forte, может избежать явлений разряда, взрыва и горения при работе в высокотемпературных средах. Стандартное напряжение батарей составляет 3,6 В, а главная их характеристика — способность работать при температурах –60…+150 °C, что позволяет применять их не только в любых климатических условиях, но и в жестких промышленных условиях, к тому же данный диапазон удовлетворяет многие требования для военных и космических применений. Так, батарея ER14505S типоразмера AA способна сохранять емкость свыше 1500 мА·ч при температуре +150 °C и токе разряда 100 мА (рис. 8).

высокотемпературные батареи

Рис. 8. Температурные характеристики батареи ER14505S

Батареи в ламинированном корпусе

Особой гордостью Forte являются литий-диоксидмарганцевые батареи в ламинированном, или мягком, корпусе (рис. 9). Они отличаются максимальной емкостью при минимальной толщине, что позволяет применять их в ультракомпактных устройствах. Да и предложение в таком формате батарей практически уникально, поскольку в этом формате конкуренты предлагают в основном Li-Pol- или Li-Ion-аккумуляторы, имеющие значительно более высокую стоимость и меньший срок автономной работы из-за гораздо большей силы тока саморазряда.

ламинированный корпус

Рис. 9. Батареи Forte в ламинированном корпусе

Минимальная толщина батарей Forte (рис. 10) составляет 2,2 мм при емкости в 750 мА·ч (при 10 мА тока разряда), а максимальная емкость достигает 10 А·ч при толщине всего 7,8 мм.

Рис. 10. Габаритный чертеж батареи CP225040

Такие батареи, фактически бескорпусные и сверхкомпактные, но при этом имеющие значительный срок службы, могут позволить изготовлять принципиально новые компактные устройства, в том числе носимые, не требующие подзарядки в течение всего срока службы или нуждающиеся только в периодическом техническом обслуживании (смене элемента питания). Данный тип рекомендуется применять при проектировании портативных устройств, поскольку это значительно сократит их массогабаритные показатели.

В России официальным представителем Forte является компания Li-battery (http://li-battery.ru).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *