Первинні батареї: різновиди та особливості

Цинк-вуглецева батарея

Цинк-вуглецева батарея, також відома як вуглець-цинкова або батарея Лекланше, є однією з найдавніших і найдешевших первинних батарей. Вона забезпечує напругу 1,5 В і часто постачається зі споживчими пристроями. Перша батарея, винайдена Жоржем Лекланше у 1859 році, була мокрою.

Лужна батарея

Лужно-марганцева батарея (лужна) є вдосконаленою версією цинк-вуглецевої та також забезпечує 1,5 В. Її винайшов Льюїс Уррі у 1949 році. Лужні елементи видають більше енергії при високих струмах, мають низький саморозряд і не витікають, як старі цинк-вуглецеві, однак не є повністю герметичними.

Лужні акумулятори забезпечують більше енергії при вищих струмах навантаження, ніж цинк-вуглецеві. Крім того, звичайні побутові лужні акумулятори забезпечують приблизно на 40 відсотків більше енергії, ніж середні літій-іонні, але лужні не такі потужні, як літій-іонні, при навантаженні. Лужні акумулятори мають дуже низький саморозряд і не витікають електроліт при розрядженні, як старі цинк-вуглецеві, але вони не є повністю герметичними.

Усі первинні акумулятори виробляють невелику кількість газоподібного водню під час розряду, і пристрої з живленням від акумуляторів повинні передбачати вентиляцію. Нарощування тиску в елементі може порушити герметичність і спричинити корозію. Це проявляється у вигляді пір'ястої кристалічної структури, яка може розвиватися та поширюватися на сусідні частини пристрою та спричиняти його пошкодження.

Літій-залізний дисульфід (Li-FeS₂)

Це новачок у сімействі первинних батарейок, який пропонує покращену продуктивність порівняно з лужними. Літієві батарейки зазвичай видають напругу 3 вольти і вище, але Li-FeS2 має 1,5 вольта, що забезпечує сумісність з форматами AA та AAA. Він має вищу ємність і нижчий внутрішній опір, ніж лужні. Це дозволяє витримувати помірні та високі навантаження та ідеально підходить для цифрових камер. Додатковими перевагами є покращені низькотемпературні характеристики, чудова стійкість до витоку та низький саморозряд, що дозволяє зберігати батарейки до 15 років за кімнатної температури.

Недоліками Li-FeS2 є вища ціна та проблеми з транспортуванням через вміст металевого літію в аноді. У 2004 році Міністерство транспорту США та Федеральне управління цивільної авіації (FAA) заборонили оптові перевезення первинних літієвих батарей на пасажирських рейсах, але пасажири авіакомпаній все ще можуть проносити їх на борт, якщо не перевищено дозволений вміст літію. Кожна Li-FeS2 батарея розміру AA містить 0,98 грама літію; обмеження на перевезення первинних літієвих батарей у повітрі становить 2 грами (8 грамів для літій-іонних акумуляторів, що перезаряджаються). Це обмежує кожного пасажира двома елементами, але були зроблені винятки, коли можна провозити 12 зразків батарей. 

Li-FeS 2 акумулятор має запобіжні пристрої у вигляді позитивного теплового коефіцієнта (PTC), який обмежує струм за високої температури та скидається до нормального стану. Li-FeS 2 акумулятор не можна перезаряджати, як це можливо з NiMH акумуляторами форматів AA та AAA. Перезаряджання, встановлення елемента навпаки, змішування виснаженого елемента або додавання стороннього елемента може призвести до витоку або вибуху.

На рисунках 1 та 2 порівнюються напруга розряду та внутрішній опір лужних акумуляторів та Li-FeS2 акумуляторів при імпульсному навантаженні 50 мА. Цікавою є плоска крива напруги та низький внутрішній опір літію; лужні акумулятори демонструють швидке падіння напруги та постійне збільшення опору під час використання. Це скорочує час роботи, особливо при підвищеному навантаженні.

Рисунок 1: Напруга та внутрішній опір лужного акумулятора під час розряду.

Рисунок 2: Напруга та внутрішній опір літію під час розряду.

Літій-тіонілхлорид (LiSOCl₂)

Один із найміцніших літій-металевих акумуляторів. Здатність витримувати високі температури та сильну вібрацію дозволяє проводити горизонтальне буріння, також відоме як фрекінг. Повідомляється, що деякі LTC працюють від 0°C до 200°C (від 32°F до 392°F). Інші види використання – у медичних та сенсорних системах.

З питомою енергією понад 500 Вт·год/кг, LTC пропонує вдвічі більшу ємність, ніж найкращі літій-іонні акумулятори. Номінальна напруга становить 3,60 В/елемент; напруга відсікання кінця розряду становить 3,00 В. Час роботи залежить не лише від ємності; також впливають теплові умови та характер навантаження. Постійний струм є більш тривалим, ніж імпульсне навантаження; це явище характерне для більшості акумуляторів.

Як і лужні, літій-тіонілхлорид має відносно високий опір і може використовуватися лише для помірних навантажень розряду. При зберіганні протягом певного часу між літієвим анодом і вуглецевим катодом утворюється пасиваційний шар, який розсіюється при навантаженні. Цей шар захищає акумулятор, забезпечуючи низький саморозряд і тривалий термін зберігання. 

LTC – один із найпотужніших та найдієздатніших хімічних складів для акумуляторів, який повинні використовувати лише навчені працівники. З міркувань безпеки цей акумулятор не використовується у споживчих пристроях.

Літій-марганцевий діоксид (LiMnO₂)

Подібний до LTC, але має меншу питому ємність і безпечний для громадського використання. Напруга становить 3,0–3,30 В, а питома енергія — близько 280 Вт·год/кг. Li-M має економічну ціну, тривалий термін служби та дозволяє витримувати помірні навантаження, але може видавати високі імпульсні струми. Робоча температура коливається від -30°C до 60°C (від -22°F до 140°F). Типове застосування: вимірювання лічильників, медичні пристрої, датчики оплати за проїзд та камери.

Літій-сірчистий діоксид (LiSO₂)

Це первинний акумулятор з напругою 2,8 В та щільністю енергії до 330 Вт·год/кг. Він пропонує широкий температурний діапазон від -54°C до 71°C (від -65°F до 160°F) з прогнозованим терміном зберігання 5–10 років за кімнатної температури. LiSo2 недорогий у виробництві та широко використовується військовими. Війна в Іраку використовувала безліч таких акумуляторів, але вони поступаються місцем більш досконалим Li-M.

Примітка: первинні літієві батареї також відомі як літій-металеві. Вони відрізняються від літій-іонних тим, що мають літієвий анод, тоді як у літій-іонних використовується вуглецевий.

У таблиці 3 наведено найпоширеніші первинні батареї.

Порівняння первинних батарей