Первичные батареи: разновидности и особенности

Цинк-углеродная батарея

Цинк-углеродная батарея, также известная как углеродно-цинковая или батарея Лекланше, является одной из старейших и самых дешевых первичных батарей. Она обеспечивает напряжение 1,5 В и часто поставляется с потребительскими устройствами. Первая батарея, изобретенная Жоржем Лекланше в 1859 году, была «мокрой».

Щелочная батарея

Щелочно-марганцевая батарея (щелочная) является усовершенствованной версией цинк-углеродной и также обеспечивает 1,5 В. Её изобрел Льюис Урри в 1949 году. Щелочные элементы выдают больше энергии при высоких токах, имеют низкий саморазряд и не протекают, как старые цинк-углеродные, однако не являются полностью герметичными.

Щелочные аккумуляторы обеспечивают больше энергии при более высоких токах нагрузки, чем цинк-углеродные. Кроме того, обычные бытовые щелочные аккумуляторы обеспечивают примерно на 40 процентов больше энергии, чем средние литий-ионные, но щелочные не так мощны, как литий-ионные, при нагрузке. Щелочные аккумуляторы имеют очень низкий саморазряд и не допускают утечки электролита при разряде, как старые цинк-углеродные, но они не являются полностью герметичными.

Все первичные аккумуляторы производят небольшое количество газообразного водорода во время разряда, и устройства с питанием от аккумуляторов должны предусматривать вентиляцию. Нарастание давления в элементе может нарушить герметичность и вызвать коррозию. Это проявляется в виде перьевидной кристаллической структуры, которая может развиваться и распространяться на соседние части устройства, вызывая его повреждение.

Литий-железный дисульфид (Li-FeS₂)

Это новичок в семействе первичных батареек, который предлагает улучшенную производительность по сравнению со щелочными. Литиевые батарейки обычно выдают напряжение 3 вольта и выше, но Li-FeS₂ имеет 1,5 вольта, что обеспечивает совместимость с форматами AA и AAA. Он имеет более высокую емкость и более низкое внутреннее сопротивление, чем щелочные. Это позволяет выдерживать умеренные и высокие нагрузки и идеально подходит для цифровых камер. Дополнительными преимуществами являются улучшенные низкотемпературные характеристики, превосходная устойчивость к утечке и низкий саморазряд, что позволяет хранить батарейки до 15 лет при комнатной температуре.

Недостатками Li-FeS₂ являются более высокая цена и проблемы с транспортировкой из-за содержания металлического лития в аноде. В 2004 году Министерство транспорта США и Федеральное управление гражданской авиации (FAA) запретили оптовые перевозки первичных литиевых батарей на пассажирских рейсах, но пассажиры авиакомпаний все еще могут проносить их на борт, если не превышено допустимое содержание лития. Каждая Li-FeS₂ батарея размера AA содержит 0,98 грамма лития; ограничение на перевозку первичных литиевых батарей в воздухе составляет 2 грамма (8 граммов для перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов). Это ограничивает каждого пассажира двумя элементами, но были сделаны исключения, когда можно провозить до 12 образцов батарей.

Аккумулятор Li-FeS₂ имеет предохранительные устройства в виде положительного теплового коэффициента (PTC), который ограничивает ток при высокой температуре и сбрасывается в нормальное состояние. Аккумулятор Li-FeS₂ нельзя перезаряжать, как это возможно с NiMH аккумуляторами форматов AA и AAA. Перезарядка, установка элемента наоборот, смешивание истощенного элемента или добавление постороннего элемента может привести к утечке или взрыву.

На рисунках 1 и 2 сравниваются напряжение разряда и внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов и аккумуляторов Li-FeS₂ при импульсной нагрузке 50 мА. Интересной является плоская кривая напряжения и низкое внутреннее сопротивление лития; щелочные аккумуляторы демонстрируют быстрое падение напряжения и постоянное увеличение сопротивления во время использования. Это сокращает время работы, особенно при повышенной нагрузке.

Рисунок 1: Напряжение и внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора во время разряда.

Рисунок 2: Напряжение и внутреннее сопротивление лития во время разряда.

Литий-тионилхлорид (LiSOCl₂)

Один из самых прочных литий-металлических аккумуляторов. Способность выдерживать высокие температуры и сильную вибрацию позволяет проводить горизонтальное бурение, также известное как фрекинг. Сообщается, что некоторые LTC работают от 0°C до 200°C (от 32°F до 392°F). Другие виды использования – в медицинских и сенсорных системах.

С удельной энергией более 500 Вт·ч/кг, LTC предлагает вдвое большую емкость, чем лучшие литий-ионные аккумуляторы. Номинальное напряжение составляет 3,60 В/элемент; напряжение отсечки конца разряда составляет 3,00 В. Время работы зависит не только от емкости; также влияют тепловые условия и характер нагрузки. Постоянный ток обеспечивает более длительную работу, чем импульсная нагрузка; это явление характерно для большинства аккумуляторов.

Как и щелочные, литий-тионилхлорид имеет относительно высокое сопротивление и может использоваться только для умеренных нагрузок разряда. При хранении в течение определенного времени между литиевым анодом и углеродным катодом образуется пассивирующий слой, который рассеивается при нагрузке. Этот слой защищает аккумулятор, обеспечивая низкий саморазряд и длительный срок хранения.

LTC – один из самых мощных и эффективных химических составов для аккумуляторов, который должны использовать только обученные работники. Из соображений безопасности этот аккумулятор не используется в потребительских устройствах.

Литий-марганцевый диоксид (LiMnO₂)

Похож на LTC, но имеет меньшую удельную емкость и безопасен для общественного использования. Напряжение составляет 3,0–3,30 В, а удельная энергия — около 280 Вт·ч/кг. Li-M имеет экономичную цену, длительный срок службы и позволяет выдерживать умеренные нагрузки, но может выдавать высокие импульсные токи. Рабочая температура колеблется от -30°C до 60°C (от -22°F до 140°F). Типичное применение: измерительные счетчики, медицинские устройства, датчики оплаты за проезд и камеры.

Литий-диоксид серы (LiSO₂)

Это первичный аккумулятор с напряжением 2,8 В и плотностью энергии до 330 Вт·ч/кг. Он предлагает широкий температурный диапазон от -54°C до 71°C (от -65°F до 160°F) с прогнозируемым сроком хранения 5–10 лет при комнатной температуре. LiSO₂ недорогой в производстве и широко используется военными. Во время войны в Ираке использовалось множество таких аккумуляторов, но они уступают место более совершенным Li-M.

Примечание: первичные литиевые батареи также известны как литий-металлические. Они отличаются от литий-ионных тем, что имеют литиевый анод, в то время как в литий-ионных используется углеродный.

В таблице 3 приведены самые распространенные первичные батареи.

Сравнение первичных батарей