Элементы питания EVE Energy — автономная энергия для любых приложений
В качестве автономного электропитания в настоящее время используются две большие группы химических источников тока (ХИТ): первичные и вторичные. Такое разделение источников тока определяется их способностью к повторному использованию. Первичные источники тока обеспечивают только разряд и не могут заряжаться: они используются однократно (гальванические элементы, батарейки). Вторичные источники тока (аккумуляторы) могут заряжаться и использоваться многократно в циклическом режиме заряд-разряд.
Одной из основных характеристик любого ХИТ является его удельная плотность энергии. Источники тока с большей удельной плотностью энергии при равных габаритных размерах с источниками других типов позволяют обеспечить питанием нагрузку в течение более продолжительного времени. Этот аспект очень важен при минимизации массо-габаритных показателей аппаратуры, особенно там, где это касается носимых устройств. Поэтому одним из основных критериев при разработке химических источников тока является увеличение их удельной плотности энергии.
На современном этапе развития химических источников тока самым высоким значением удельной плотности энергии обладают так называемые литиевые элементы различных электрохимических систем (Li-SOCl2, Li-MnO2, Li-FeS2, Li-ion и др.). Используя металлический литий в качестве анода, удалось достичь того, что литиевые элементы имеют наибольшее номинальное напряжение при минимальных габаритах и поэтому характеризуются самым высоким значением удельной плотности энергии по сравнению с источниками других типов.
Типовое напряжение литиевых элементов зависит от их группы, а также от типа электрохимической системы и в подавляющем большинстве случаев находится в диапазоне 2,6–3,7 В. Видно, что напряжение литиевых источников тока значительно выше традиционных солевых/щелочных (alkaline) и кислотных ХИТ (1,2–1,5 В). И это делает невозможным простую замену последних на литиевые источники в уже готовом изделии. Но не все так плохо. Здесь следует особым образом выделить электрохимическую систему литий-железосульфид (Li-FeS2), которая обладает напряжением 1,5 В и предназначена как раз для непосредственной замены традиционных батареек в готовом изделии. Достигнутые параметры литий-железосульфидных источников тока по удельной энергоемкости превосходят аналогичные параметры щелочных элементов, а по разрядному току — не хуже их. Но при этом Li-FeS2 источники тока имеют меньшую массу и более продолжительный период работы и хранения.
В связи с тем, что литиевые источники тока наиболее перспективны, именно этот тип ХИТ и был выбран компанией EVE Energy как приоритетный.
EVE Energy была основана в 2001 году. Уже в 2003 году компания стала поставлять на рынок первичные источники тока, а с 2010 года — вторичные источники тока. Сейчас компания имеет многочисленный штат инженеров в области электрохимии, материаловедения и других смежных областях, а также пять полностью автоматизированных предприятий, занимающихся производством конечной продукции и отдельных ее компонентов.
Основная цель компании — быть лидером в области технологий и производить высококачественные источники энергии для промышленного применения. Если исходить из количества зарегистрированных патентов (85), наличия различных международных сертификатов, подтверждающих качество производства и контроль качества продукции (ISO9001/14001, UL, UN, CE), сотрудничество с национальными и с зарубежными научно-исследовательскими институтами, занимающимися развитием литиевых источников тока, то можно утверждать, что компания делает все возможное для достижения поставленной цели. Дополнительно в подтверждение качества выпускаемой продукции и значимости компании можно сказать, что среди ее партнеров — такие известные на мировом рынке производители, как Samsung, Honeywell, LG, Tyco Integrated Security и др. В 2009 году компания EVE Energy вышла на фондовый рынок, а в 2012 году объем производства составил более $100 млн. При этом стоимость выпускаемой продукции невысока.
Компания EVE Energy выпускает практически полный спектр литиевых ХИТ в различных форм-факторах (рис. 1): «таблетка», цилиндрические, призматические, которые относятся к следующим электрохимическим системам:
- первичные источники тока (элементы):
- литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2);
- литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2);
- литий-железодисульфидные (Li-FeS2);
- вторичные источники тока (аккумуляторы):
- литий-полимерные (Li-Polimer);
- литий-железофосфатные (Li-FePO4).
До сих пор почему-то считается, что, обладая самой большой удельной плотностью энергии, литиевые элементы предназначены для работы с нагрузками, требующими небольшого или среднего разрядного тока. На самом деле это не так. В своем развитии литиевые источники благополучно прошли это ограничение, и уже длительное время выпускаются элементы с большими разрядными токами от сотен миллиампер до нескольких ампер, которые способны по этому параметру полностью заменить распространенные щелочные элементы.
Важным преимуществом группы литиевых элементов является сверхмалый ток саморазряда. Потеря емкости при хранении составляет не более 1–2% в год. Благодаря столь малой потере емкости рассматриваемые типы элементов могут храниться в обычных условиях больше 10 лет, при этом емкость снизится всего на 10–15%.
В настоящий момент в группе литиевых элементов наиболее отлажено производство литий-диоксидмарганцевых (Li-MnO2), поэтому они являются самыми массовыми и доступными по стоимости. Среди этой продукции имеются изделия, допускающие повышенный ток разряда. Это элементы, выполненные по спиральной технологии. При этой технологии анод изготавливается в виде спирали, тем самым достигается максимальная площадь поверхности контакта между анодом и катодом, и изделие способно на высокую отдачу тока. Литий-диоксидмарганцевые элементы характеризуются малым током саморазряда, высокой надежностью и сроком хранения до 10 лет. Так называемые элементы таблеточного типа в основном изготавливаются на основе именно этой электрохимической системы.
Вид разрядной кривой Li-MnO2 элементов представлен на рис. 2а, а некоторые, наиболее востребованные литий-диоксидмарганцевые элементы производства EVE Energy приведены в таблице 1.
Наимено-вание |
Тип |
Рабочее напряжение, В |
Номинальная емкость, мА·ч |
Ток |
Ток разряда (max), мА |
Размеры, мм |
Темпера-турный |
||||
Постоянный |
Импульсный |
Диаметр |
Высота |
||||||||
С повышенным током разряда. Цилиндрические |
|||||||||||
CR14250 |
(1/2)АА |
3 |
650 |
10 |
500 |
1500 |
14,5 |
25 |
–40…+85 |
||
CR14505 |
АА |
1600 |
10 |
1500 |
3000 |
14,5 |
50,5 |
||||
CR17505 |
А |
2400 |
10 |
1500 |
3000 |
17 |
50,5 |
||||
CR26500 |
С |
5000 |
10 |
2000 |
3000 |
26 |
50 |
||||
CR34615 |
D |
10000 |
10 |
2000 |
3000 |
34 |
61,5 |
||||
Таблеточного типа |
|||||||||||
CR1620 |
1620 |
3 |
70 |
0,1 |
3 |
8 |
16 |
2 |
–20…+70 |
||
CR2025 |
2025 |
160 |
0,2 |
3 |
15 |
20 |
2,5 |
||||
CR2032 |
2032 |
225 |
0,2 |
3 |
15 |
20 |
3,2 |
||||
Призматические |
|||||||||||
CR9V-P |
«крона» |
9 |
1200 |
9 |
120 |
400 |
Длина |
Ширина |
Высота |
–40…+85 |
|
26 |
17,2 |
45 |
На рис. 2а видно, что напряжение литий-диоксидмарганцевых элементов при разряде снижается, и на это следует обратить внимание при разработке схемы питания. Совершенно иначе при разряде ведет себя литий-тионил-хлоридный элемент. На рис. 2б можно видеть, что рабочее напряжение этого типа источников тока практически не меняется в течение всего времени работы, а затем, когда элемент истощится, — резко снижается. Неизменность рабочего напряжения литий-тионилхлоридных источников тока является положительным качеством, что позволяет в ряде случаев упростить схему электропитания разрабатываемого устройства, не «закладываясь» на диапазон питающего напряжения.
Основная особенность литий-тионилхлоридных элементов (Li/SOCl2) состоит в том, что именно этот тип ХИТ обладает максимальным значением удельной плотности энергии среди всех литиевых источников и самым малым током саморазряда (<1%). Кроме того, элементы этого типа имеют расширенный рабочий температурный диапазон (–55…+85 °C), что допускает их эксплуатацию в очень жестких условиях.
Отдельно нужно выделить наличие у компании EVE Energy элементов с расширенным рабочим температурным диапазоном в области верхнего значения температуры — до +150 °C, а также элементов, допускающих повышенный ток разряда (таблица 2).
Наимено- |
Тип |
Рабочее |
Номинальная емкость, |
Ток |
Ток разряда (max), мА |
Размеры, мм |
Темпера- |
||
Постоянный |
Импульсный |
Диаметр |
Высота |
||||||
Повышенной емкости. Цилиндрические |
|||||||||
ER14250 |
(1/2)АА |
3,6 |
1200 |
0,5 |
15 |
50 |
14,5 |
25,4 |
–55…+85 |
ER14505 |
AA |
2700 |
1 |
40 |
150 |
14,5 |
50,5 |
||
ER26500 |
C |
8500 |
4 |
150 |
300 |
26 |
50 |
||
ER341245 |
DD |
35000 |
10 |
420 |
500 |
33,1 |
124,5 |
||
С повышенным током разряда. Цилиндрические |
|||||||||
ER14505M |
AA |
3,6 |
2000 |
4 |
400 |
1000 |
14,7 |
50,7 |
–40…+85 |
ER26500M |
C |
6000 |
10 |
1000 |
2000 |
26,2 |
50 |
||
ER34615M |
D |
13000 |
15 |
2000 |
4000 |
33,1 |
61,5 |
||
С расширенным температурным диапазоном. Цилиндрические |
|||||||||
ER14505S |
AA |
3,6 |
1600 |
– |
– |
– |
14,7 |
50,5 |
–40…+150 |
ER26500S |
C |
6000 |
– |
– |
– |
26,9 |
50 |
||
ER34615S |
D |
13000 |
– |
– |
– |
33,9 |
61,5 |
Элементы питания, допускающие столь высокую температуру эксплуатации (+150 °C), востребованы в геологии, при добыче нефти и газа — для электропитания устройств, погружаемых в скважину.
Основной особенностью литий-железодисульфидных (Li-FeS2) источников тока, как уже упоминалось выше, является величина рабочего напряжения — 1,5 В, что позволяет использовать их как улучшенную (меньше масса и больше емкость) замену существующим щелочным (alkaline) элементам. Внешний вид литий-железосульфидных элементов компании EVE Energy представлен на рис. 3, а параметры выпускаемых элементов FR3 и FR6 в корпусах стандартного типоразмера ААА и AA соответственно — в таблице 3. Здесь же для сравнения приведены и основные параметры выпускаемых щелочных элементов компаний-производителей GP и Energizer.
Наимено- |
Тип |
Номинальное/рабочее |
Номинальная емкость, |
Масса, г |
Ток разряда (max), мА |
Размеры, мм |
Темпера- |
||
Постоянный |
Импульсный |
Диаметр |
Высота |
||||||
FR3 |
ААА |
1,5/1,3 |
1100 (350/0,8) |
7,7 |
1000 |
2000 |
10,5 |
44,5 |
–40…+60 |
FR6 |
АА |
3000 (1000/0,8) |
14,5 |
2000 |
3000 |
14,5 |
50,5 |
||
GP Ultra |
AA |
1,5/1,3 |
1650 (250/0,8) |
24 |
– |
– |
14,5 |
50,5 |
–30…+60 |
Energizer Ultra+ |
AA |
1750 (250/0,8) |
23 |
– |
– |
14,5 |
50,5 |
Примечание. * В свободном доступе отсутствует полная техническая информация о щелочных элементах.
Для сравнения приведена емкость, полученная экспериментальным путем.
Не только уменьшенная масса и увеличенная емкость отличает литий-железодисульфидные источники от щелочных элементов. Такие ХИТ имеют нижнюю границу температурного диапазона –40 °C (щелочные — –30 °C) и очень длительный срок хранения — до 10–15 лет (щелочные — до двух-пяти лет). Следует сказать, что далеко не все производители литиевых ХИТ имеют в номенклатуре своей продукции подобные элементы.
В том случае когда потребляемая мощность устройства велика (единицы и десятки А·ч), экономически целесообразно использовать вторичные источники тока — аккумуляторы. Достигнутая на сегодня удельная энергоемкость литиевых аккумуляторов в несколько раз превышает аналогичный показатель других типов аккумуляторов (свинцово‑кислотных, никель-металлогидридных). Поэтому аккумуляторы на основе лития, так же как и первичные источники тока, сейчас являются самыми эффективными. Компания EVE Energy в серийной продукции уже достигла удельной плотности энергии 500 Вт·ч/дм3, а в следующем году планируется достичь 530 Вт·ч/дм3.
Компания выпускает литий-ионные аккумуляторы на основе двух электрохимических систем:
- литий-полимерной (Li-Polimer);
- литий-железофосфатной (Li-FePO4).
Литий-полимерные аккумуляторы обладают большим количеством циклов заряд-разряд (более 500 циклов), отсутствием эффекта памяти и низким саморазрядом (3% в месяц + 2–3% за счет потребления схемой управления). Их можно изготовить в очень тонком форм-факторе (толщиной от 0,8 мм).
Компания EVE Energy серийно выпускает литий-полимерные аккумуляторы в виде прямоугольных параллелепипедов (призматические) толщиной от 3,1 до 9,4 мм и емкостью от 50 до 5000 мА·ч на ячейку с напряжением 3,7 В.
Обозначение аккумуляторов у этого производителя состоит из цифр, которые определяют геометрические размеры изделия по структуре толщина-ширина-длина. Например, по обозначению 305080 можно сказать, что этот аккумулятор имеет толщину (3 ±0,2) мм, ширину (50 ±0,5) мм и длину (80 ±5) мм.
Ассортимент выпускаемых литий-полимерных аккумуляторов очень широк (около сотни). Кроме того, можно заказать аккумулятор необходимого размера и емкости под поставленную задачу (не превышая ограничения по удельной плотности энергии).
Основные параметры некоторых литий-полимерных аккумуляторов приведены в таблице 4.
Наименование |
Рабочее |
Емкость, |
Внутреннее сопротивление, мОм |
Масса, г |
Размеры (max), мм |
||
Высота |
Ширина |
Длина |
|||||
503048 |
3,7 |
750 |
80 |
8,5 |
5,2 |
30,5 |
48,5 |
314070 |
900 |
80 |
20 |
3,3 |
40,5 |
70,5 |
|
454058 |
1000 |
40 |
20 |
4,7 |
40,5 |
58,5 |
|
605080 |
2350 |
50 |
40 |
6,2 |
50,5 |
80,5 |
|
465895 |
3100 |
40 |
55 |
4,8 |
58,5 |
95,5 |
|
4561121 |
4750 |
30 |
100 |
4,7 |
61,5 |
121,5 |
Если необходимо иметь повышенную энергию, большой допустимый ток разряда и повышенную долговечность, следует обратить внимание на другую разновидность аккумуляторов — литий-железофосфатные (Li-FePO4). Этот тип аккумуляторов характеризуется невысокой стоимостью энергии и очень длительным сроком эксплуатации (до 2000 циклов при 100%-ном заряде-разряде). В щадящем режиме (частичный разряд-заряд) количество циклов может достичь 8000: на сегодня это максимальное количество циклов для серийно выпускаемых аккумуляторов. Срок хранения также впечатляет: в заряженном состоянии и при температуре +60 °C за 15 лет потеря емкости составит около 23% (расчетная). Правда, удельная энергоемкость этого типа аккумулятора ниже, чем у литий-полимерного (около 250–270 Вт·ч/дм3), но выше, чем у других типов аккумуляторов.
Основные области применения таких аккумуляторов — это электротранспорт, альтернативная энергетика, источники бесперебойного питания (ИБП) и другие накопители энергии.
Основные параметры некоторых литий-железофосфатных аккумуляторов, выпускаемых компанией EVE Energy, приведены в таблице 5.
Наименование |
Рабочее |
Емкость, |
Внутреннее |
Масса, г |
Размеры (max), мм |
Темпера- турный |
||
Высота |
Ширина |
Длина |
||||||
7568270 |
3,2 |
10 |
270 |
270 |
7,5 |
68 |
270 |
–20…+75 |
1184121 |
15 |
121 |
250 |
11 |
84 |
121 |
||
10150225 |
20 |
225 |
660 |
10 |
150 |
225 |
Аккумуляторы изготавливаются в виде прямоугольных параллелепипедов или цилиндров с емкостью одной ячейки от 3 до 50 А·ч. В зависимости от потребностей в конкретном приложении (емкость/напряжение/размер) можно заказать изготовление батарей из отдельных ячеек. Также можно заказать и нужный размер ячеек (не превышая ограничения по удельной плотности энергии).
Аккумуляторы рассматриваемой электрохимической системы можно заряжать повышенным током. Производитель заявляет, что аккумуляторы можно зарядить до 96% от номинальной емкости всего за 30 мин.!
Наряду с удельной плотностью энергии важна и безопасность эксплуатации ХИТ. Достигнутая плотность энергии литиевых элементов питания очень велика (700 Вт·ч/кг), и эксплуатироваться они могут в различных климатических условиях (температура, влажность) при возможном внешнем механическом воздействии. Литий является очень активным химическим элементом с низкой температурой плавления. Под воздействием высокой температуры при коротком замыкании или при чрезмерном токе разряда может произойти неконтролируемая химическая реакция с выделением большого количества энергии. Компания EVE Energy уделяет особое внимание обеспечению безопасности собственной продукции.
Для решения проблемы безопасности при эксплуатации литиевых источников тока была разработана и применяется тройная защита. В верхнюю часть элемента встраивается предохранитель, защищающий от тока короткого замыкания (рис. 4а). Используется также специальная химическая защита от перегрева на основе химической реакции с поглощением тепла (рис. 4б), а в нижней части элемента устанавливается дополнительный выпускной клапан для предотвращения возможности взрыва (рис. 4в).
В любом случае, независимо от наличия или отсутствия применяемых защитных мер, литиевые элементы ни в коем случае нельзя разбирать или нарушать целостность конструкции, нагревать выше оговоренной в техническом описании температуры. Нельзя также допускать попадание внутрь элемента влаги. Элементы следует защищать от возможного короткого замыкания, и, кроме того, ввиду возможного локального перегрева к этим элементам нельзя припаивать выводы. Если требуется элемент с уже установленными выводами, его следует заказать у производителя. Практически все производители ХИТ выпускают элементы с различными вариантами выводов, и потребителю нужно только выбрать подходящий вариант. Указанные особенности эксплуатации литиевых элементов следует соблюдать при использовании продукции любых производителей.
Учитывая достигнутые энергетические параметры, наличие различных встроенных схем защиты и международных сертификатов, подтверждающих качество производства, можно утверждать, что ХИТ компании EVE Energy являются очень эффективными и безопасными (при соблюдении условий, оговоренных выше).