Критерии выбора литиевых аккумуляторов и батареек: что необходимо учитывать разработчикам

28 мая

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Универсальных батареек и аккумуляторов, обладающих самыми высокими параметрами и подходящих под любые применения, пока не существует. А разнообразие источников тока, доступных сегодня, чрезвычайно велико. Однако разобраться в них и подобрать оптимальное решение для конкретной задачи можно. Например, аккумуляторы серии PLM, выпускаемые компанией EVE Energy, отлично подойдут для автомобильных устройств ГЛОНАСС и трекеров, а для GSM-устройств предпочтительней будет литий-диоксидмарганцевая батарейка CR123A. Делимся секретами, которые позволят разработчику сделать правильный выбор.

Литиевые химические источники тока (ЛХИТ), к которым относятся батарейки и аккумуляторы, в настоящее время являются фактически основными источниками энергии в мобильных электронных устройствах, электротранспорте, IoT-устройствах, приборах учета ресурсов, средствах мониторинга транспорта и другого оборудования, вплоть до используемого в нефтегазодобыче.

Такой широкий спектр использования ЛХИТ обусловлен их большой удельной плотностью энергии, наиболее высоким напряжением на один элемент/ячейку, а также способностью отдельных элементов питания к работе при экстремальных температурах -55…150°С. Эти особенности позволяют во многих решениях обойтись всего одним элементом или ячейкой и обеспечить продолжительную длительность работы в требуемом температурном диапазоне. Тем не менее в каждом случае применения химических источников тока требуется учитывать и некоторые дополнительные критерии, например, такие как доступность, безопасность, долговечность и стоимость.

Инженерам еще не удалось создать универсальный химический источник тока, который можно использовать во всех приложениях без ограничений, поскольку сегодня нет технологий, способных обеспечить сочетание в одном ХИТ всех максимальных показателей. Поэтому сейчас на рынке присутствует множество элементов тока различных электрохимических систем из числа как батареек, так и аккумуляторов. Выбор того или иного ХИТ — это всегда компромисс между характеристиками, важными для конкретного приложения, массогабаритными показателями, энергией, стоимостью, доступностью и другими параметрами.

Основные критерии, которыми характеризуются наиболее распространенные аккумуляторы, указаны в таблице 1, а самые популярные батарейки – в таблице 2. Значок «٭» условно обозначает величину параметра: чем больше «звездочек», тем выше показатель.

Таблица 1. Основные критерии выбора аккумулятора

1. В столбце “Температурный диапазон заряда/разряда” у некоторых типов аккумуляторов указаны по два значения температуры заряда/разряда. Первое – это наиболее распространенное типовое значение, а второе – возможное значение, обусловленное у продукции некоторых производителей изменениями (добавками/присадками) в основной химии элемента.

Таблица 2. Основные критерии выбора батарейки

2. Все элементы являются безопасными при правильной эксплуатации и условиях хранения, не выходящих за рамки указанных в технической документации. В данном случае под безопасностью подразумевается поведение элемента при внешних механических повреждениях или эксплуатации в режимах, не предусмотренных в документации.

Аккумуляторы

Как видно из таблицы 1, по совокупности технических параметров, таких как срок службы, температурный диапазон и безопасность, очень хорошо себя зарекомендовали литий-титанатные аккумуляторы. Они обладают самым длительным сроком службы, широким температурным диапазоном и высочайшим уровнем безопасности. Однако у них не очень высокие плотность энергии и номинальное напряжение. Кроме этого, данный тип аккумуляторов пока выпускают не все производители, а те ячейки, которые имеются на рынке, обладают большой емкостью и предназначены для электротранспорта или систем хранения энергии. Для портативной электроники практически нет подходящих ячеек. Выбирая этот тип ЛХИТ, можно столкнуться со сложностью в поиске ячейки нужной небольшой емкости, а ее стоимость будет высока.

С другой стороны, такой популярный и самый недорогой аккумулятор, как никель-металлогидридный, имеет невысокое напряжение и ограниченную долговечность. Отдав предпочтение ЛХИТ этого типа, придется использовать сборку из нескольких ячеек, и при эксплуатации устройства можно столкнуться с их частыми заменами.

В настоящий момент наиболее популярными аккумуляторами для многих приложений являются литий-ионные (Li-Ion) цилиндрические модели типоразмера 18650, а также литий-ионные полимерные или просто литий-полимерные (Li-Pol) в призматических корпусах (в виде паучей). Данные ЛХИТ имеют широкий модельный ряд, в котором элементы различаются по емкости и максимальному току разряда. Обычно эти аккумуляторы имеют стандартный диапазон рабочей температуры, составляющий 0…45°С заряд/-20…60°С разряд, но так же выпускаются и с расширенным температурным диапазоном: -20…60°С заряд/-40…70°С разряд (морозоустойчивые).

Этот тип аккумуляторов имеет оптимальное сочетание основных эксплуатационных, технических и экономических показателей, а также отличается широким выбором по химическому составу с применением дополнительных добавок и присадок, дающих улучшение определенных параметров, таких как рабочая температура, безопасность, срок службы и другие.

Если требуются аккумуляторы с длительным сроком службы (с большим количеством циклов «заряд/разряд»), то следует выбирать либо специальные литий-ионные, либо литий-железофосфатные. Срок службы последних достигает 3000 циклов (типовое значение) и, что немаловажно, эти аккумуляторы безопасны. ЛХИТ данного типа не подвержены тепловому разгону при заряде или физическом разрушении и дополнительно к этому лучше переносят работу в буферном режиме.

Литиевые аккумуляторы чувствительны как к перезаряду, так и к глубокому разряду. Если такой источник тока или длительное время находится под внешним зарядным напряжением, или часто происходит глубокий разряд, или при длительном хранении (более полгода) его не заряжали-разряжали, то он может даже вздуться. Чтобы этого избежать, аккумуляторы (равно как и литиевые батарейки) следует правильно хранить и эксплуатировать. При их использовании важно не превышать зарядное напряжение и не разряжать аккумуляторы ниже порогового уровня, а также отключать ячейку от зарядного напряжения при достижении 100% заряда. Для этого следует использовать схему BMS (Board Management System) или плату защиты в более простом варианте. Их можно заказать сразу у производителя или собрать самостоятельно на базе специализированных микросхем.

Имеющийся широкий спектр аккумуляторов говорит о том, что поиски химического состава и технологий, которые позволили бы создать «идеальную» модель, идут постоянно. Однако пока в глобальном масштабе это не свершилось.

Идеальный элемент питания — это относительное понятие. О нем можно говорить только с учетом конкретного применения и соблюдения всех аспектов использования, когда все основные параметры соответствуют тем требованиям и той окружающей среде, где он будет эксплуатироваться.

PLM – “идеальный” аккумулятор EVE Energy для автомобильных устройств ГЛОНАСС и трекеров 

В нижней строке таблицы 1 в качестве «идеального» аккумулятора указана продукция компании EVE Energy серии PLM. Этот аккумулятор был специально разработан для системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы для автоматического оповещения о дорожных происшествиях на автотранспорте) и трекеров. Он обладает совокупностью параметров, наиболее полно подходящих под это применение (таблица 3, рисунок 1), таких как:

• • длительное использования в суровых условиях;
  • герметичная и взрывозащищенная конструкция;
  • сверхширокий температурный диапазон;
  • высокие значения продолжительных и импульсных токов;
  • длительный срок службы (емкость составляет более 90% после 1500 циклов);
  • безопасность, надежность и соответствие требованиям IEC62133, UL1642, UN3.

Рис. 1. Внешний вид аккумуляторов серии PLM, выпускаемых компанией EVE Energy

Таблица 3. Основные параметры литий-ионных аккумуляторов семейства PLM

Основные преимущества этого аккумулятора – это морозоустойчивость, длительный срок службы и высокий уровень безопасности. Он способен работать в температурном диапазоне -40…85°С с высоким значением токов (непрерывного и импульсного). Также он совершенно безопасен при повреждении оболочки. При протыкании металлическим предметом и деформации корпуса этот аккумулятор не дымит и не воспламеняется, что отвечает соответствующим требованиям ГОСТ Р 50905-96 “Автотранспортные средства. Электронное оснащение”.

Аккумуляторы серии PLM доступны в двух типоразмерах: АА и 18650. Сравнив значение емкости этих элементов с показателями обычных аккумуляторов в соответствующих типоразмерах, мы обнаружим, что емкость новых ЛХИТ примерно в два раза меньше. Это еще раз подчеркивает, что идеального аккумулятора не существует, и при выборе приходится идти на некоторые компромиссы. В данном случае за счет возможности работы при отрицательной температуре с высоким значением тока и повышенной безопасности удельная плотность энергии оказалась ниже чем в распространенных аккумуляторах.

Иначе говоря, PLM – это аккумуляторы, которые сочетают в себе высокую безопасность, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, высокую токоотдачу и могут использоваться в различных приложениях, критичных к этим параметрам.

Батарейки

Литиевые батарейки тоже имеют ряд особенностей, на которые следует обращать внимание при подборе подходящего варианта. Если с солевыми или щелочными батарейками в большинстве случаев более-менее все понятно, то с подбором литиевой уже возникают вопросы. Из таблицы 2 видно, что на рынке существуют батарейки трех основных электрохимических систем: литий-тионилхлоридные (Li-SOCl₂), литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO₂) и литий-дисульфиджелезные (Li-FeS₂).

Если руководствоваться критериями плотности энергии и напряжения на элементе, то наиболее предпочтительной выглядит литий-тионилхлоридная батарейка. И в большинстве ситуаций именно так и есть, учитывая их широкий температурный диапазон работы и уровень стоимости. Такие батарейки выпускаются в двух конструктивных исполнениях: бобинной и спиральной. К тому же батарейки этой электрохимической системы обладают самой низкой скоростью саморазряда (1…3% при нормальных условиях хранения), что говорит об отличной сохраняемости. Эти ЛХИТ можно хранить до 10 лет или использовать в устройстве в течение этого же периода времени (при соответствующем токопотреблении).

Источники тока бобинной конструкции используются в устройствах с небольшим потреблением энергии (не более нескольких миллиампер) и длительным сроком службы (5…10 лет и более). Как правило, этот тип батареек предназначен для питания RTC – часов реального времени (Real Time Clock) или элементов памяти в момент отсутствия основного напряжения питания. Эти батарейки прослужат максимально долго по сравнению с другими. Наиболее характерными направлениями их использования являются электросчетчики, приборы учета тепла, воды, пожарной сигнализации и так далее.

В устройствах с импульсным умеренным потреблением энергии (с током до 100…200 мА в импульсе) использование данного типа батареек также возможно. В этом случае рекомендуется параллельное подключение суперконденсатора необходимой емкости с низким током утечки. Он облегчит режим работы ЛХИТ с повышенными импульсами тока особенно в условиях отрицательных температур.

Для использования литий-тионилхлоридной батарейки в устройствах с повышенным энергопотреблением (с током на уровне сотен миллиампер и выше) следует выбрать спиральную конструкцию, которая разработана специально для такого режима работы. Этот тип батареек также может обеспечить импульсный ток значением до нескольких ампер, но небольшой длительности (типовое значение – до 100 мс).

Поскольку батарейка спиральной конструкции рассматриваемой электрохимической системы обладает высокой удельной плотностью энергии и способна работать с высоким значением тока, то она представляет повышенную опасность при механическом повреждении оболочки, и это следует иметь в виду. Данный вид ЛХИТ не рекомендуется использовать в автотранспорте.

Батарейки литий-тионилхлоридной электрохимической системы обладают лучшими энергетическими и эксплуатационными показателями, но с указанными ограничениями. Кроме того, они подвержены эффекту пассивации.

Обычно считается, что пассивация – отрицательный эффект, но это не всегда так. Дело в том, что как раз этот процесс и снижает скорость саморазряда батарейки, позволяя ей храниться и работать максимально длительный период времени. И если она используется для питания каскадов схемы на уровне нескольких микроампер (например, RTC), то пассивация не окажет отрицательного воздействия, а будет иметь положительное значение в плане продолжительности срока службы ЛХИТ. Столь малый ток может обеспечить даже глубоко запассивированная батарейка.

Но если от ЛХИТ необходимо получить ток в несколько десятков миллиампер (импульсно или непрерывно), то запассивированная батарейка этого уже не обеспечит, и нужно предусмотреть меры по снижению этого эффекта. Запассивированный источник тока перед установкой в устройство следует активировать (а это дополнительная технологическая операция) и предусмотреть режим недопущения пассивации в самом устройстве. Об этом эффекте и способах его устранения можно прочитать в статье “Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy”. Понимать сам принцип пассивации/депассивации, а также его влияние на работу устройства в различных сценариях использования батарейки очень важно.

Учитывая все вышеобозначенные нюансы, можно сказать, что для устройств, работающих с токами в сотни миллиампер и даже несколько ампер (например, для GSM) предпочтительней выглядит другая эдектрохимическая система – литий-диоксидмарганцевая. Батарейки этой электрохимической системы имеют не столь высокую удельную плотность энергии, но лучшую по значению и продолжительности токоотдачу. Кроме того, они также обладают широким температурным диапазоном (с умеренной зависимостью параметров).

Наиболее популярной батарейкой этой электрохимической системы является CR123A, которая может обеспечить импульсный ток до 2500 мА длительностью до 15 с. Этих значений вполне хватит для работы GSM-устройства, чем обусловлено широкое применение таких батареек в различных автомобильных трекерах и маячках.

Применение батареек литий-дисульфидной электрохимической системы на практике пока не столь широко распространено, однако эти батарейки тоже обладают хорошими параметрами. У них широкий температурный диапазон, большая удельная плотность энергии и высокая токоотдача. Скорее всего, их невысокая популярность объясняется тем, что напряжение 1,5…1,6 В является низким для большинства устройств, и часто требуется использование минимум двух батареек, соединенных последовательно. Но в этом случае, по сравнению с литий-диоксидмарганцевыми батарейками, которые могут использоваться в устройстве в качестве единичного элемента (3,0 В), особого выигрыша по параметрам уже нет (и по стоимости тоже).

Батарейки литий-дисульфиджелезной электрохимической системы следует рассматривать в первую очередь как прямую замену щелочным в устройствах, работающих с повышенным током на улице в зимний период. Эти батарейки выпускаются в тех же типоразмерах (АА, ААА) и полностью заменяют аналогичные щелочные элементы тока с улучшением эксплуатационных и технических параметров в плане работы при отрицательной температуре и снижении общего веса изделия. Использование этих ЛХИТ в других применениях, учитывая наличие прямого конкурента в виде литий-диоксидмарганцевой системы, пока кажется сомнительным.

Указанные в таблице 2 воздушно-цинковые элементы (Zink air) имеют ограниченную номенклатуру и узкое применение. Они в основном используются для питания слуховых аппаратов и в данной статье не рассматриваются.

Разобрав основные критерии выбора ЛХИТ и их параметры, можно отметить, что в существующем многообразии этих элементов тока нет какого-то универсального или идеального варианта. Выбирая тот или иной вариант для питания устройства, приходится оперировать множеством параметров, подбирая наиболее оптимальное их сочетание для каждого приложения. Но и это еще не все. Параметры ХИТ имеют зависимость от температуры. В каких-то случаях она более существенная, а в каких-то умеренная. Но, тем не менее, эта зависимость есть, и ее необходимо учитывать.

Кроме того, при выборе ЛХИТ только по данным таблицы в технической документации есть риск отдать предпочтение не той модели. Например, для батарейки литий-тионилхлоридной электрохимической системы указано номинальное напряжение 3,6 В. Но это не значит, что именно его будет обеспечивать батарейка в указанном температурном диапазоне (-55…85°С) и в пределах возможной нагрузки. Это напряжение имеет зависимость от температуры. При -40°С и токе 10…20 мА оно уже может не превышать значения 2,8…3,0 В. И это значение считается нормальным при таких условиях. С основными аспектами и критериями выбора ХИТ для своего устройства можно ознакомиться в статье “Важные «мелочи» в технической документации: выбираем оптимальную батарейку FANSO EVE Energy”.