Kiss Zoltán - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Elektronikai témájú publikációk gyűjteménye 2.

Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.

Eldobható lítium elemek a világ vezető gyártójától - EVE battery

2015 szeptember 7.

Összefoglalás :

A hordozható elektronikai eszközök számára megfelelő tápellátást találni nagy kihívás, aki nem járatos a témában, könnyen választhat az adott alkalmazáshoz rosszul vagy egyáltalán nem illeszkedő elemet. Könnyebb a dolgunk, ha az eszköz újratölthető akkumulátorral szerelt, ilyenkor a gyártó által biztosított töltővel biztonságosan és megfelelő ideig működtethetjük a készüléket. Ha mégis eldobható elemre van szükség, akkor mind a tervezőnek, mind a felhasználónak tisztában kell lenni a technikai lehetőségekről. A piacon kapható egyszer használatos (primer) elemek változatos méretekben kaphatóak, kémiai rendszerüket tekintve is sokfélék lehetnek. A régi szén-cink elemeket felváltották a széles körben használatos alkáli elemek, ma pedig előszeretettel használja az ipar a lítium elemeket, melyek tartósabbak, jobban terhelhetők, könyebbek a hétköznapi eldobható elemeknél. Cikkünk segít eligazodni a tervezőmérnököknek az egyes változatok között a világ egyik vezető primer elemgyártója az EVE Battery kínálatának bemutatásával.


Lítium technológia – eldobható és tölthető elemek

Az elem egy olyan energiatároló és átalakító rendszer, mely kémiai reakció útján képes töltést létrehozni, azaz a kémiai energiát villamos energiává alakítani. Ebben a mini reaktorban - annak áramkörbe kapcsolásakor- lejátszódó kémiai reakció szabad elektronokat hoz létre. A telep kisülése során ezeknek a szabad elektronoknak a katód felé áramlása az a villamos áram, melyet az anód és katód közé kapcsolt külső áramkör táplálásához használhatunk fel. Ha a kisülés után a kémiai reakció nem visszafordítható, akkor primer (eldobható) telepről beszélünk, ha valamelyik a reakcióban résztvevő anyag elfogy, az elem lemerül, és cserére szorul. Ha külső töltőáram felhasználásával a töltés visszaállítható, akkor szekunder azaz tölthető elemről beszélünk.

Az elem-technika fejlődése során a lítium, mint a legkisebb sűrűségű, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal és legjobb energiatárolóképesség/tömeg hányadossal rendelkező fém alkalmazhatósága került előtérbe. A szakirodalom a „lítium vagy lítium-fém elemeken” a fém lítium adóddal rendelkező primer (eldobható) elemeket érti, ami nem keverendő össze az újratülthető „lítium-ion” elemekkel. Ez utóbbiak anódja nem fém lítium, hanem grafit, katódja pedig lítium kombinációja valamilyen átmenetifém (nikkel, kobalt, mangán, vas) oxiddal és az elektrolit pedig szerves karbonát oldószerben oldott lítium só. Kisüléskor a rendkívül gyorsan reagáló lítium elektronját feladva Li+ ionná alakul, a szabad elektronok áramlása pedig elektromos áram formájában hasznosul. Töltéskor a külső villamos feszültség hatására a Li+ ionok visszaáramolva interkalálódnak az anód porózus grafit anyagába, így újra kész a rendszer az energiatermelésre.

A hagyományos újratölthető Li-Ion elemek mellett a 90-es évek vége felé megjelentek a folyékony elektrolitot szilárd polimer vegyületekkel helyettesítő Li-Poly elemek, melyek nem a Li-Ion elemeknél általános merev fémházzal, hanem hajlékony borítással változatos és kis méretekben készülnek, és bár kapacitásuk kisebb, mégis ideális enegriaforrásai lettek a hordozható elektronikai eszközöknek.

Az EVE Battery mind a Li-Ion, mind a Li-Poly technológiát alkalmazza újratölthető elemei gyártásához, azonban a világon igazán vezető szerepe az eldobható elemek (primer cellák) piacán van.

Lítium–fém primer elemek általános jellemzői

Hőmérséklet/páratartalom

Az elemek legnagyobb ellensége a magas hőmérséklet, a nagy hőmérsékleten tárolt primer elemek önkisülése elérheti a 35 %–ot is, ezért lehetőség szerint tároljuk az elemeket +10°C és +25°C között., és kerülni kell a 40% alatti és 95% feletti relatív páratartalmat is.

Névleges kapacitás

Adott kisütési körülmények (adott C-rate - kisütési áram) mellett értelmezett, a teljes feltöltéstől a letörési feszültség eléréséig rendelkezésre álló Ah érték, melyet a kisütési áram értékének (A) a kisülésig eltelt idő (h) szorzatával definiálunk.

C= I (A) * t (h)

Telepfeszültség

Többféle különböző feszültség definíciójára van szükség az elemek jellemzéséhez. A névleges feszültség az elem elsődleges jellemzésére referenciaként szolgál, a valóságban azonban meg kell különböztetni az úgynevezett nyitott állapotú OCV (Open Circuit Voltage) és a terhelés alatti CCV (Closed Circuit Voltage) értéket. Az a feszültség, ahol az elem teljesen kisültnek tekinthető az ún. letörési, vagy Cut-Off feszültség.

Passziváció

A passziváció a primer lítium elemekre jellemző fizikai jelenség, mely a fém lítium anód és az elektrolit kölcsönhatásával van kapcsolatban. Amikor a gyártás során a cellába elektrolit kerül, egy vékony ún. passzivációs réteg alakul ki az anódfelületen, melynek fontos szerepe van abban, hogy terheletlen állapotban a további reakciót megakadályozva az elemet megvédje a lemerüléstől. Amikor a cellában áram kezd folyni, az ionáramlás elbontja a passzívációs réteget. Normál körülmények közt a vékony réteg nem csökkenti a telep használhatóságát, azonban, ha az rossz tárolási körülmények miatt nagyon megvastagszik, akkor problémát jelenthet a terhelés rákapcsolásakor. Hosszú, hónapokig vagy évekig tartósan szobahőmérséklet felett tárolt lítium elemekben a passzivációs réteg nagyon megvastagodhat, ami a terhelés megjelenésekor késleltetést okozhat az elvárt kimeneti feszültség megjelenésében. Míg kis áramterhetéskor a késleltetés után elfogadható idő alatt megérkezik a feszültségválasz, ha az elemnek hirtelen nagy impulzusterhelést kell kiszolgálnia, előfordulhat, hogy a feszültség a letörési feszültség alatt marad. A megfelelő tárolási körülmények biztosítása a legjobb módszer a feszültség-késleltetési problémák leküzdésére, azonban számos más módszerrel is javíthatunk a passziváció okozta problémákon, például folyamatos alacsony terhelésen való tartással, vagy intelligens pogramozott indítással is.

Nem szabad azonban a passzívációt káros jelenségnek tartani, hiszen ez biztosítja a lítium elemek kivételesen hosszú tárolhatóságát. A későbbiekben részletesebbn foglalkozunk a LiMnO2 elemekkel, melyeknél a passziváció még hosszú ideig való tároláskor és rövid ideig tartó magas hőmérsékletnek való kitételkor sem jelentkezik. A többi Li alapú kémiai rendszer esetén alacsony és folyamatos terhelés az ideális.

Belső felépítés

A primer Li elemek belső felépítéséről is kell szólni néhány szót, mert a struktúra jelentős viselkedésbeli eltéréseket eredményez. A hengeres LiSOCl2 elemek általában vagy spirális vagy úgynevezett „Bobbin” struktúrájúak. Előbbiek mag köré spirálisan tekercselt nagyfelületű fémlapot használnak a nagy áramok eléréséhez, míg a Bobbin cellák fém lítiumból készült hengerből és cérnaterecsre hasonlító belső elektódából állnak, ahogy az az ábrán is látható.

A spirális cellákban minél több rétegű a tekercs, annál kisebb hely van az elektrolit számára, ezért ezeknek az elemeknek a töltéshordozó képessége kisebb, azonban a nagy elektródafelület miatt az impulzusáramuk igen magas. A Bobbin cellákban nagyobb az elektrolit mennyisége, és bár kisebb áramot tudnak leadni, energiatároló képességük 30%-kal magasabb, mint az azonos méretű spirális celláknak. Ezért az alkalmazástól függően, ahol pillanatszerű nagy áramerősségre van szükség, ott a spirális cellák kerülnek előtérbe, ahol a kapacitás a lényegesebb, ott a Bobbin cella alkalmazható eredményesebben. Megjegyzendő, hogy a spirális cella a nagy áramimpulzus leadási képessége miatt külső fizikai behatás esetén veszélyesebb, és bár az EVE speciális biztonsági szelepei a komoly problémákat megakadályozzák, az ilyen elemekből épült nagyenergiájú csomagok használata helyett inkább bobbin elemek és nagy impulzusáramot biztosítani képes SPC eszközök együttes használata javasolt.

A spirális cellák másik előnyös tulajdonsága, hogy a feszültségkésleltésük kisebb, mint a Bobbin struktúrájú társaiké. A fenti SPC-vel épített elemcsomagok ezt a problémát is kiküszöbölik, mert az energia az SPC-ből késleltetés nélkül kerül a rendszerbe.

Cikkszám szabványok

Az elemgyártók követik a vonatkozó szabványokat, így viszonylag könnyű dolga van a fejlesztőknek az egyes termékek összevetésekor. Hogy teljes legyen a kép, bemutatjuk ezeket az elnevezési szabályokat is. A primer (eldobható) elemek elsődlegesen kémiai rendszerük alapján kerülnek megkülönböztetésre:

(-) Elektrolit (+)
- Zn Ammónium klorid; Cink klorid MnO2 Mangán-dioxid
A Zn Ammónium klorid; Cink klorid O2 Oxigén
B Li Szerves elektrolit CFx Szén -monofluorid
C Li Szerves elektrolit MnO2 Mangán-dioxid
E Li Nem vizes alapú szervetlen elektrolit SOCl2 Thyonil klorid
F Li Szerves elektrolit FeS2 Vas diszulfid

A cellákat formájuk és méretük alapján is elkülönítjük a cikkszám második betűjétől kezdődően:

Jelölés Kivitel
R Kör alakú, hengeres cella
F Lapos cella
S Négyzet alakú cella

Típus Átmérő Magasság Szélesség Vastagság
CR2032R 20 3.2 - -
CF502445 - 5,0 24,0 45,0

Az EVE Battery eldobható primer elemtipusai közül a következőket tekintjük részletesen át:

Li-SoCl2 – Lítium thyonil klorid” ER” elemek

Kémiai rendszerét tekintve ez az elemcsalád egy porózus (szén) és SoCl2 keverékéből álló folyékony katódból és fém ílítium anódból áll. A kisülés során bekövetkező kémiai reakció a következő:

4Li + 2SOCl2 → SO2 + S + 4LiCl

A Lítium thyonil klorid elemek üresjárati feszültsége 3,66V, és 3,4-3,6V körüli terhelés alatti üzemi feszültségükkel az egyik legnagyobb feszültségű primer cellatípusok a piacon.

Elemtipus OCV(V) CCV(V) Cut off (V)
Lítium elem Li/SOCl2 3.67 3.6~3.3 2
Li/SO2 3.1 2.9~3.1 2
Li/MnO2 3.5 2.8~2.7 2
Li/CuF2 3.1 2.7~2.6 2
Li/CuO 1.5 1.6~1.4 0.9
Egyéb el-dobható elem Zn/HgO 1.35 1.6~1.2 0.9
Zn/MnO2 Alkalescence 1.5 1.25~1.15 0.9
Zn/MnO2 Neutrality 1.5~1.75 1.25~1.15 0.9

½ AA mérettől D (góliát) méretig elérhetők, és ez a család rendelkezik a legnagyobb energiasűrűséggel (1280 Wh/dm3) az eldobható elemek között. Működési hőmérséklet tartománya -55℃ -+85℃, de létezik speciálisan kialakított 150 ℃ kiterjesztett üzemi hőmérséklet tartománnyal rendelkező változata is. A család önkisülése extrém alacsony, kevesebb, mint 1%@20℃, emiatt rendkívül hosszú ideig, 10-20 évig is tárolható megfelelő körülmények között. UN és UL tanusítványai garantálják a biztonságos szállítást és alkalmazást. Spirális változatban (pl ER14250M) elérhetők a nagy impulzusáramigényű alkalmazásokhoz, ilyenkor az EVE által alkalmazott anódszelepek felelnek a biztonságért, a hosszabb működéshez pedig Bobbin változatok választhatók (pl ER14250).

Az elem kapacitása adott kisütési áram mellett meghatározza a kisütés időtartamát, a kisütés ideje alatt azonban az üzemi (CCV) feszültség idővel csökkenni kezd. Az ER elemek betervezésekor figyelembe kell venni, hogy a külső hőmérséklet nagy hatással van az elem viselkedésére. Az alábbi ábrákon egy Bobbin struktúrájú (ER17505) és egy spirális (ER17505M) elem feszütség hőmérséklet karakterisztikái hasonlíthatóak össze különböző terhelőáramok mellett.

Látható, hogy a spirális cellák kevésbé érzékenyek a külső hőmérséklet változására, ráadásul a passziváció sem oly mértékben jelentkezik náluk, ellenben kapacitásuk kisebb, mint a Bobbin tipusoknak.

Az ER elemek korábban említett rozsdamentes acél tokozású, extrém rázkódás és mechanikai sokk álló, kiterjesztett hőmérséklettartományú változata (ER14250MR-150) kiválóan alkalmazható az olajfúrás szenzorainak tápellátására.

Az ER elemek alkalmazásai:

Spirális (ErxxM) Bobbin (Erxx)
Kapacitás

-

+

Impulzus áram

+

-

Passziváció

+

-

Biztonság

-

+

Érdekességként említem meg, hogy az EVE Battery 2014-ben napi 400 ezer darab ilyen elemet gyártott, melyek túlnyomó többsége hengeres elem.

Li-MnO2 – Lítium mangán dioxid ”CR” elemek

Kémiai rendszerét tekintve ez az elemcsalád egy szerves alapú, nem korrodáló, nem mérgező folyékony elektrolittal feltöltött szilárd MnO2 katódból és fém lítium anódból áll. A kisülés során bekövetkező kémiai reakció a következő:

Li + MnIVO2 –> MnIIIO2 (Li+)

A lítium Li+ ionná alakulása során elektronok szabadulnak fel, ezek zárt áramkörben elektromos áramként való szabad áramlása biztosítja a kémiai energia villamos energiává alakulását. A CR elemek cellafeszültsége 3V (OCV= 3.1. 3.4V CCV=3,0V), működési hőmérséklettartománya pedig -40℃ -+85℃ hengeres típusok esetén, gombelemeknél pedig -20℃ -+70℃. Az autóiparban előszeretettel használják a kiterjesztett hőmérséklet tartományú -40-+125℃változatokat, elsősorban TPMS (keréknyomás ellenőr) rendszerekben. Bár a CR cella energiasűrűsége elmarad az ER családoknál szokásos értékektől, számos előnyös tulajdonságuk van ezeknek az elemeknek, például nincs szükség semmilyen védőáramkörre, és a folyékony katódos rendszerektől eltérően a passziváció sem okoz problémát. Mivel nem tartalmaz kadmiumot, ólmot, higanyt környezetbarát megoldást jelent. Önkisülése kisebb, mint 1%@20℃, emiatt rendkívül hosszú ideig, akár 10 évig is tárolható megfelelő körülmények között. Leginkább akkor javasolt használata, ha kis méretű, vékony, könnyű elemre van szükség viszonylag kis terhelésre. A hengeres kialakítású és gombelem változatok mellett létezik az EVE kínálatában 9V-os elem is, mely 3 db 3V-os cella sorbakapcsolásával és egybe tokozásával készül.

Itt is megemlíteném, hogy az EVE Battery 2014-ben napi 720 ezer darab ilyen elemet gyártott, melyek túlnyomó többsége gombelem.

A CR elemek alkalmazásai:

Lítium vas-diszulfid (Li-FeS2) eldobható elemek

A hengeres Li-FeS2 anódja lítium, katódja vas-szulfid, és elektrolitként szerves oldószerben oldott lítium só szolgál. 1.5V-os telepfeszültsége kompatibilissá teszi minden AA és AAA eldobható elemmel, azonban használata a hagyományos elemekkel szemben számos előnnyel jár, mint például az extrém kis hőmérsékleten való alkalmazhatóság, a 15 év szobahőmérsékleten való tárolás utáni működőképesség és a hosszabb élettartam.

Tulajdonságok:

Más AA/AAA elemekkel való összehasonlítás:

Jellemzők Lítium Alkáli Ni-MH
Hőmérséklet Kiváló Kiváló
Tárolhatóság 10-15 év 5-7 év 3-5 év
Töltésmegtartás Kiváló
Kisülési görbe Lapos Meredek Lapos
Kapacitás Kiváló Elfogadható Kiváló

Az első összehasonlító ábrán AA alkáli és LiFeS2 elem kapacitásának összevetése látható többféle terhető árammal végzett folyamatos terhelés mellett 20℃ hőmérsékleten 0.9V CutOff feszültség eléréséig. Megfigyelhető, hogy nagy áramú kisütés esetén az alkáli elemek üzemideje messze alatta marad a lítium változat üzemidejének. Kisebb terhelőáramok esetén az eltérés kevésbé jelentős, de ott is jelen van.

A második összehasonlító ábrán az összevetés többféle terhelő árammal végzett folyamatos terhelés mellett különböző hőmérsékleteken, 0.9V CutOff feszültség eléréséig történő mérések eredményeit mutatja. Megfigyelhető, hogy extrém alacsony hőmérsékletek esetén a lítium elemek sokkal hoszabb ideig üzemképesek a terheléstől függetlenül, míg nagy árammal való terhelés esetén az alkáli elemek üzemideje messze alatta marad a lítium változat üzemidejének, normál és magasabb hőmérsékleten is. Kis terhelőáramok esetén az eltérés szobahőmérsékleten és magas hőmérsékleten kevésbé jelentős, de ott is jelen van.

Felhasználási terület:


| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |

Hivatkozások

A cikk megjelent az alábbi helyeken:

# Média Link
1 Elektronet 2015/5 Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2015. (24. évf.) 5. sz. 20-23. old.
2 Elektronet online Eldobható lítiumelemek a világ vezető gyártójától
3 English version Primary lithium metal batteries from leading manufacturer EVE Battery
4 TechStory M2M Eldobható lítiumelemek
5 Jövő Gyára 2015/4 2015. (I.évf.) 4.sz. 43-44.o.

Kapcsolat

Az info(kukac)electronics-articles.com email címen vagy az alábbi ürlapon az adatkezelési nyilatkozat elfogadásával léphet velünk kapcsolatba.

Név
Cégnév
Email
Telefon
Üzenet
  Elolvastam és elfogadom az adatkezelési nyilatkozatot
  Feliratkozom a havi gyakoriságú, hasonló cikket tartalmazó műszaki hírlevélre.