Эксплуатация литиевых батареек в различных температурных условиях

С появлением на рынке литиевых источников тока с большой удельной энергоемкостью, длительными сроками хранения и эксплуатации позволило первичным элементам занимать нишу питания даже стационарных устройств. Например, в системах пожарно-охранной сигнализации или IoT (интернета вещей) питание от батарейки проще, удобнее и надежнее, чем от AC/DC-преобразователя, поскольку отключение электросетей периодически происходит. Кроме того, автономное питание минимизирует расходы на монтаж электропроводки. Но чтобы получить максимальную эффективность от химического источника тока (ХИТ), необходимо учитывать влияние различных внешних факторов, одним из которых является температура.

Литиевые элементы питания имеют различную химическую основу и конструкцию. Например, известная компания FANSO выпускает литий-диоксидмарганцевые (LiMnO2) и литий-тионилхлоридные (LiSOCl2) ХИТ (рис. 1) спиральной (рулонной) и бобинной конструкций. Химический состав катода (в качестве анода — литий) и технология упаковки определяют номинальное напряжение элемента, его внутреннее сопротивление, диапазон рабочих температур, а также наличие эффекта пассивации. Скорость химических реакций зависит от температуры, что сформулировано в правиле Вант-Гоффа: каждые 10°С изменяют скорость реакции в 2...4 раза (это - эмпирическое правило, которое применяется только для общей оценки). Повышение температуры с 20°C до 60°С ускоряет химические процессы в 16...256 раз!
 
Рис. 1. Внешний вид литиевых ХИТ FANSO

Как правило, режим максимального (для батарейки) потребления тока носит кратковременный характер, иначе время работы устройства будет неудовлетворительно малым. Впрочем, в этом случае повышение температуры не сильно повлияет на количество отданной энергии и время работы (процесс деградации просто не успеет стать значительным), но у тионилхлоридных ХИТ это может привести к росту давления внутри корпуса из-за выделения сернистого газа (в нормальных условиях рекомбинирует):

2SOCl2 + 4Li → 4LiCl + S + SO2 ↑

Примечание: SOCl2 — токсичное вещество. Нагрев выше допустимого из-за перегрузки или внешнего тепла интенсифицирует побочные реакции с выделением других газов и риском разгерметизации корпуса. Для исключения нежелательных последствий корпус элемента имеет насечку контролируемого разрыва, а также предохранитель или позистор для ограничения тока нагрузки. Разработчик должен учесть направление разрыва, блокировать двумя диодами возможный встречный ток и поставить дополнительный резистор. Эти несложные правила справедливы и для батарей с другой химической основой. Их соблюдение (в совокупности с остальными) делает эксплуатацию литиевых элементов надежной и безопасной. Если требуется работа в экстремальных условиях, следует обратить внимание на высокотемпературные варианты ХИТ с предельными значениями температуры 125°C и 150°C.

Батарейки на основе тионилхлорида подвержены пассивации: окисление хлором анода вызывает на последнем осаждение хлорида лития и рост внутреннего сопротивление элемента, ограничивая токоотдачу. Этот процесс ускоряется с ростом температуры. Хотя образовавшаяся пленка имеет и положительный эффект препятствия саморазряду, необходимо ее устранение (депассивация), что в свою очередь уменьшает энергоемкость батарейки, а слишком толстый слой увеличивает риск отказа.

Диоксидмарганцевые батарейки подвержены газообразованию в значительно меньшей степени, так как основная реакция не предусматривает выделение газа:

MnO2 + Li → MnO2Li

Однако при высокой температуре вздутие таких батареек также возможно из-за содержания в электролите органических растворителей с низкой точкой кипения, а также усиления ряда побочных реакций с дополнительным газообразованием. Продукты этих реакций также вызывают незначительный эффект пассивации положительного электрода. Это вызывает рост внутреннего сопротивления и уменьшение саморазряда, что продлевает срок хранения, но, в отличие от тионилхлоридных ХИТ, эффект менее выражен и практически незначителен.

Отрицательные температуры уменьшают химические процессы, исключая риск опасного газообразования, но приводят к повышенному саморазряду, а также снижению номинального напряжения и энергоемкости. Количественно это оценить сложно, так как на практике внешняя температура и ток потребления устройства не являются постоянными, но можно ориентироваться на худший (и очень приблизительный) вариант: при работе в условиях предельных отрицательных температур емкость батарейки уменьшается вдвое. Значения нижней границы температурного диапазона цилиндрических литиевых ХИТ FANSO, за пределом которой происходит отказ батарейки, достаточно для большинства приложений: -40°C для марганцевых и -55°C для тионилхлоридных ХИТ.
 

Производители: FANSO EVE Energy

Разделы: Батареи тионил-хлоридные (Li-SOCl2), Батареи диоксид марганцевые (Li-MnO2)

Опубликовано: 18.06.2025