Что лучше литиевые батарейки или аккумуляторы

Алкалиновые или литиевые батарейки – какие лучше выбрать?

В этой статье будут рассмотрены особенности алкалиновых и литиевых батареек, а также их преимущества и недостатки. Для педантов сразу отмечу, что под обозначением «батарейки» здесь понимаются первичные источники тока щелочного (alkaline) и литиевого типа. В основном они представлены в продаже цилиндрическими моделями форм-фактора AA (или R6) и AAA (или R3), но на самом деле типоразмеров значительно больше. Можно также назвать C (R14), D (R20). Есть не только цилиндрические, но также дисковые (CR) или призматические («Крона» 9 В). Отличия у них не в форме и размерах, а в типе электрохимической системы, которая и определяет их достоинства и недостатки.

Алкалиновые

Конструкция и состав

Это стандартные батарейки щелочного типа. Алкалиновыми их окрестили за маркировку «Alkaline» (в переводе щелочной) импортного происхождения. Это марганцево─цинковый гальванический элемент питания со щелочным электролитом. В большинстве случаев щелочные батарейки имеют катод из двуокиси марганца (MnO₂) с графитосодержащим материалом, а анод из цинковой пасты (Zn). Реже в качестве материала катода применяются оксид серебра (Ag₂O) или метагидроксид никеля (NiO(OH)). В качестве электролита применяется гидроксид калия (KOH).

Ниже можно посмотреть конструкцию щелочного источника питания цилиндрического типа.

Изоляцию катода обеспечивает оболочка, предотвращающая короткое замыкание. В нижней части можно также увидеть специальную прокладку. Её роль заключается в принятие газов, образующихся в элементе при работе. Если давление превышает допустимый предел, то развивается предохранительная мембрана и батарейка разгерметизируется. В результате из алкалинового источника питания может вытечь электролит.

Реакции

В алкалиновых источниках питания протекают следующие реакции.

На аноде идет реакция с образованием гидроксида цинка и дальнейшим его разложением на оксид цинка и воду.

Zn + 2OH − => Zn(OH)₂ + 2e −

На катоде восстанавливается оксида марганца.

Общий электрохимический процесс в алкалиновой батарейке выглядит следующим образом.

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

Конструкция и материалы щелочной батарейки очень близки к солевым источникам питания. Однако в отличие от солевых батареек, в алкалиновых цинк содержится в порошкообразном виде, а не в форме цинкового стакана.

Сферы применения

Ниже перечислены основные сферы применения.

• Фонари.
• Мелкая электроника.
• Переносные магнитофоны.
• Вспышки для фотоаппаратов.
• Радиоуправляемые модели.
• Электронные часы.

Как видите, это устройства, потребляющие относительно высокий ток непродолжительное время, а также те, что требуют небольшое по мощности питание в течение длительного времени. Если подать слишком высокую нагрузку, то может просесть напряжение и потребуется некоторое время на его восстановление.
Вернуться к содержанию

Основные параметры

Параметр	Значение
ЭДС элемента, В	1.5
Интервал рабочих температур, С	от -30 до +55
Удельная мощность, кВт/куб. м.	от 100 до 150
Удельная энергия, Вт*ч/кг	от 65 до 90

Литиевые

Конструкция

В случае с литиевыми батарейками есть несколько распространённых типов конструкции. Ниже рассмотрены цилиндрические и дисковые источники тока.

Для цилиндрических моделей применяются бобинная и рулонная конструкция.

В случае рулонных батареек важно позаботиться о безопасности, поскольку при коротком замыкании (КЗ) ток в них может достигать 20 ампер. Если произойдет КЗ, то из-за сильного разогрева элемент питания может взорваться. Чтобы это предотвратить, конструкции предусматривается плавкий термистор, который еще называют плавким предохранителем. Когда ток превышает определенное значение, термистор разогревается, увеличивается сопротивление материала и ток КЗ снижается.

После устранения короткого замыкания и уменьшения температуры, сопротивление плавкого предохранителя снижается и батарейку можно снова использовать.

Некоторые производители предусматривают дополнительный вид защиты в виде специальной насечки в основании отрицательного вывода элемента. Если давление внутри корпуса превысит определенное значение, то по этой насечке произойдет вскрытие и сброс давления. Так удастся избежать взрыва. После вскрытия литиевая батарейка уже непригодна для использования.

Состав и протекающие реакции

Существуют две электрохимические системы, на основе которых создаются литиевые батарейки.

• Литий─диоксидмарганцевые или CR (Li─MnO₂).
• Литий─тионилхлоридные или ER (Li─SOCl₂).

Литий─тионилхлоридные

В этой электрохимической системе катодом является жидкое вещество. В роли анода выступает металлический литий, а катод выполнен из пористой углеродной массы. Электролит представляет собой раствор солей лития (LiGaCl₄ или LiAlCl₄) в тионилхлориде (SOCl₂). Тионилхлорид, помимо функции электролита, выполняет также роль активного материала катода. Химическая реакция, протекающая в этой электрохимической системе, выглядит так.

В процессе разряда происходит оседание хлорида лития в порах катода. Когда батарейка близка к полному разряду, начинается оседание серы на катоде. Параллельно происходит растворение оксида серы в электролите.

Литий─диоксидмарганцевые

Электрохимические системы на базе MnO₂ являются более распространенными при создании первичных источников тока литиевой типа. Здесь роль анода также выполняет металлический литий, активным катодным материалом является термообработанный диоксид марганца ─ MnO₂. В системе используются органический электролит, имеющий в своём составе растворенные соли лития LiClO₄ или LiCF₂SO₂. Часто используется диметоксиэтан или пропиленкарбонат. Реакция, происходящая при разряде в этой системе, показана ниже.

При протекании реакции нет образования каких-то химических элементов, которые бы увеличивали давление в корпусе источника тока. Марганец восстанавливается до трёхвалентного состояния, а также происходит встраивание ионов лития в кристаллическую решётку MnO₂.

Система на основе Li─SOCL₂ имеет более высокую энергетическую плотность и ёмкость, чем Li─MnO₂. Естественно, при одинаковых габаритах и массе. Это обусловлено более высокой активностью тионилхлорида сравнению с диоксидом марганца. Кроме того, номинальное напряжение в первом случае составляет 3,5, а во втором 3 вольта.

Если после хранения такой батарейки подключить её к устройству, потребляющему большой ток, то произойдет кратковременная просадка напряжения. Впоследствии она выравнивается до нормального значения. Просадка будет тем сильнее, чем дольше на хранении находился источник питания. И тем больший ток будет потребляться нагрузкой. Если же напряжение снизится ниже минимального, то устройство не может просто включиться.

Поэтому после хранения батареек Li─SOCl₂ перед подключением к ним нагрузки нужно проводить депассивацию. Причём специалисты советуют учитывать эффект пассивации на стадии проектирования того или иного устройства для его стабильного функционирования. С этой точки зрения процесс пассивации является отрицательным явлением.

В принципе, этот эффект можно преодолеть, если ввести в электролит вещества, способствующие растворению хлорида лития. Но образующаяся пленка имеет и положительный эффект. Он заключается в том, что при хранении предотвращается окисление материала катода. Благодаря этому снижается интенсивность саморазряда. К примеру, у батареек Li─SOCl₂,имеющих бобинную конструкцию, составляет всего около 1 процента в год.
Вернуться к содержанию

Сферы применения

• Цифровые фотоаппараты и камеры.
• Автомобильные пульты дистанционного управления.
• Часы.
• Калькуляторы.
• Материнские платы.
• Прочая электроника малого и среднего размера.

Безопасность

При использовании литиевых батареек важное значение приобретает вопрос безопасности. Это касается их применения как в промышленных, так и в бытовых устройствах. Нужно позаботиться о том, чтобы параметры эксплуатации не привели к возгоранию, порче оборудования и травмам персонала. Более безопасными считаются источники тока Li─MnO₂. В них при хранение и разряде не возникает никаких элементов, увеличивающих давление в корпусе. В электрохимических системах Li─SOCl₂ присутствуют подобные элементы, но критического увеличения давления они не вызывают.

Стоит также понимать, что чем больше ёмкость литиевых источников тока (а значит, больше их размеры и масса), тем больше в них активного материала. А значит, серьёзнее будут последствия в случае возгорания. Чем меньше лития использовано в батарейке, тем она безопаснее. Про средства защиты (клапаны, насечки) уже было сказано выше в разделе про рулонную конструкцию.

Характеристики

Li─MnO2	Li─SOCl2
Катод	диоксид марганца	тионилхлорид
Электролит	перхлорат лития в растворителе (пропиленкарбонат, диметоксиэтан)	тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде
ЭДС, В	3.3	3.65
Номинальное напряжение, В	3	3.5
Удельная энергия, Вт*ч/кг	280	500-700

Что лучше – литиевые или алкалиновые?

В итоге, что лучше литиевые или щелочные батарейки? Как и в других подобных случаях, однозначного ответа на вопрос здесь дать нельзя. Выбор нужно делать в зависимости от устройства, где будет работать батарейка. Можно только обозначить преимущества и недостатки обоих типов.

• Длительный срок хранения и низкий саморазряд.
• Незначительное падение напряжения по мере разряда.
• Большая ёмкость по сравнению с солевыми источниками тока.
• Показывает хорошую работу при отрицательных температурах.
• Выдерживает значительный ток разряда без просадки напряжения.
• Отсутствие расхода электролита.
• Небольшое газовыделение.

• Низкая энергоёмкость. Отсюда больше размеры и масса.
• Относительно невысокая цена.

• Высокая энергоёмкость. Это значит, что при одинаковых габаритах с алкалиновыми батарейками они имеют большую ёмкость.
• Литиевые источники питания имеют большее напряжение и более высокий разрядный ток.
• Отсутствие газовыделения при разряде или объём выделяющихся газов небольшой.
• Хорошо держат напряжение при высоких нагрузках.

• Содержат в своем составе более токсичные материалы, чем у алкалиновых элементов.
• Требует более аккуратного обращения при эксплуатации. Существует опасность возгорания при коротком замыкании.
• Срок службы дольше, чем у алкалиновых, но и стоят дороже.

Можно однозначно сказать, что выбор в пользу литиевых батареек следует делать тогда, когда требуется обеспечить питание устройств с высоким потреблением тока. Но при этом придется потратиться больше, чем случае со щелочными источниками тока.
Вернуться к содержанию

Источник

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Литиевые батарейки

Мир наполнен приборами, игрушками, которые мертвы, если отсутствует источник энергии – батарейка. Гальванический элемент, преобразующий химическую энергию в электрическую, знают все. Одноразовое устройство – батарейка, с возможностью цикличной зарядки – аккумуляторная батарейка. Литиевые источники энергии имеют высокую плотность заряда, работают дольше, выполняют те же задачи, что солевые, алкалиновые.

Устройство и состав литиевой батарейки

Здесь описываются гальванические элементы, работающие на необратимой реакции окисления. Отданный заряд не восстанавливается, батарейка называется одноразовой. Элемент состоит из анода, выполненного из металлического лития, катода из твердых MnO₂, Fes₂, Cuo, CF_x, жидких SO₂, SOCl₂. Продолжается поиск других солей с высоким сродством к восстановлению. Окислителем выступает активный литий, отдающий электроны. Корпус аккумулятора герметичный, с выводами клемм и их маркировкой. Надпись «do not recharge»- повторно не заряжать, предупредит, что литиевая батарейка одноразовая.

Существует 2 типа батареек по конструкции:

Бобинные литиевые батарейки служат до 20 лет, применяются потребителями, не превышающими запрос в 150 мА. Срок службы элементов до 20 лет.

Спиральные конструкции имеют большую поверхность лития, импульсно дают до 4 А, при постоянном токе — 0,1-1,8 А. Но саморазряд этих устройств достигает 10 % в год от первоначальной емкости. Элементы с любым составом катода выпускают в двух типах. Литиевые батарейки могут быть круглыми, призматическими или в форме таблеток.

Крупными и признанными производителями литиевых батареек считают EVE, Minamoto, SAFT, Robiton, Varta, Tekcell. Небольшие производства есть в Китае.

Свойства литиевых батареек с разными анодными парами

В зависимости от химического состава катода в связке с металлическим литием, меняется емкость и напряжение на клеммах элемента, их саморазряд и способность работать в диапазоне температур.

1. Li/MnO_{2 —} батарейка литиевая маркируется как «CR». Электролитом является перхлорат лития. Номинальное напряжение 3 В, саморазряд 2,5 % за год, срок годности до 10 лет. Температура рабочей среды -20 +55 0 С. Форма – преобладает таблетка.
2. Li/CuO, по рабочему напряжению 1,2-1,5 В идентичны щелочным, но заряд она вмещает в 3 раза больше. Рабочий температурный интервал -10 +70. Срок службы 10 лет.
3. Li/SO_{2 —} одни из самых распространенных видов литиевых батареек. Катод представляет пластификатор с графитом и сажей. Электролитом служит диоксид жидкий с компонентами для электропроводности. Рабочее напряжение 2,6-2,9 В. В конструкции не смогли избежать повышения давления в корпусе и сильный разогрев при КЗ, пришлось ставить предохранитель давления. Литиевые батарейки хорошо работают на морозе до -60 0 и в жару +70 0 , сохраняют заряд до 10 лет.
4. Li/I_{2 —} тип батарейки без электролита. Химическая реакция 2Li+I₂ >2LiI происходит в твердом составе, диффузией. Полученная соль тоже твердая, выступает в роли сепаратора. Работает батарейка до 15 лет, надежны, используются в кардиостимуляторах.
5. Li/FeS₂ – лучшие литиевые батарейки, востребованы, несмотря на высокую цену. Такие элементы работают с устройствами большой мощности, имеют защиту по току, предохранитель, срабатывающий на 85-90 0 и клапан сброса давления. Чаще используются в форм-факторе АА.
6. Li/CF_x – разновидность литиевых батареек, работающих при высокой температуре, до +85 0 . За 10 лет на саморазряд уходит 20 % емкости. Используются в дефибрилляторах, кардиостимуляторах и портативной электронике.
7. Li/SOCl₂ – самая энергоемкая литиевые батарейки. Напряжение без нагрузки больше, чем 3,6 В. При работе поддерживается 3,3- 3,5 В. В качестве электролита применен тионилхлорид, агрессивный компонент. Верхний предел работоспособности +(85-130) 0 С. Нижний – минус 60, но при сильно упавшей емкости элемента. Предусмотрена защита от взрыва в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления.

Размеры литиевых батареек

Чтобы правильно подобрать нужный источник энергии, необходимо знать его геометрические размеры и форму. Показатели стандартизированы, разберемся в типоразмерах литиевых одноразовых батареек. Используется классификация США.

Знак	V (В)	H (мм)	D (мм)	Народное название	Маркировка
ААА	1,5	44,5	10,5	мизинчиковая	03
АА	1,5	50,5	14,5	пальчиковая	6
С	1,5	50,0	26,2	дюймовочка	14
D	1,5	61,5	34,2	бочка	20
РРЗ	9,0	48,5	26,5	крона	6/22

Отдельные типы литиевых батареек можно посмотреть на фото.

При выборе литиевой батарейки важна маркировка, по ней можно определить тип элемента. Для литиевой батарейки на корпусе большими буквами будет напечатано CR, на щелочной LR, на солевой R.

Всегда ли литиевые батарейки предпочтительнее щелочных? Изделия отлично работают в любых условиях. Но всегда ли экономически выгодно покупать батарейку литиевую в 5 раз дороже, если на малом токе они превосходит алкалиновые в 1,5-2 раза? Какие лучше, решается в каждом случае, применительно к решаемым задачам.

Необходимо учесть, что запас энергии на всех типах литиевых батареек больше в несколько раз. Чтобы не перепутать устройства, производители делают Li АКБ с особыми выводами.

Литиевые батарейки ААА

Мы рассмотрим одноразовую батарейку с литиевым анодом типа ААА. Компактное устройство имеет пассивный слой на аноде, предупреждающий реакцию. Даже кратковременная подача тока разрушит слой и приведет в негодность батарейку. В отличие от солевых мизинчиковых батареек, литиевые разогреются настолько, что могут взорваться. Зарядка литиевых одноразовых батареек запрещена!

Если замкнуть плюс и минус у литиевой батарейки, она тоже может загореться. Поэтому, необходимо соблюдать следующие правила:

• провода к контактам не крепят паяльником;
• батарейку не носят в кармане, где случайно могут быть металлические мелкие предметы;
• перевозить элементы нужно в специальном чехле или футляре;
• не оставлять батарейку под прямыми лучами солнца.

Стоит ли покупать литиевую батарейку ААА, которая стоит дороже алкалиновой в 5 раз. Учитывая, что работает она в 7 раз дольше, и легче на 35 %, стоит.

Срок годности литиевых батареек

При правильном хранении, литиевые батарейки АА будут безотказно работать, если их подключить в течение 10 лет. Зачастую, тог саморазряда составляет 2 % в год при хранении в комнатных условиях, t = 20 0 С.

Дату выпуска и срок годности можно найти на корпусе в виде буквенно-цифрового кода. Зашифровано по разному, только в цифрах, 5 знаков означает число, месяц и год (40615), а код 9А14 следует читать 9 января 2014 года. Срок годности вынесен отдельно. Срок годности действителен, если батарейка находится в упаковке и ею никогда не пользовались.

Литиевые или алкалиновые батарейки, какие лучше

Алкалиновые и щелочные батарейки одно и то же. Воспользуемся тестированием специалистами Росконтроля, пальчиковых ААА батареек и сравним их с литиевыми. Так как идеальных элементов на случаи импульсной и постоянной умеренной и слабой нагрузки нет, предлагается определить, где предпочтительнее использовать щелочные, а где литиевые батарейки и какие лучше.

Результаты исследований показали, что для импульсных токовых нагрузок с высокой мощностью лучше купить литиевую батарейку – прослужит столько же, что 3 щелочных, но весит она намного меньше, чем аварийный запас из нескольких другого вида.

В пультах и часах, в детских игрушках оптимально использовать алкалиновые аккумуляторы, по стоимости выгоднее. Малые токи быстро истощают заряд литиевой батарейки, и проработает она почти столько же, что и щелочная.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» — перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Зарядное устройство для литиевых батареек

Не всяким устройством можно заряжать литиевые батарейки. Лучше купить специальное, которое само ведет 2 этапа зарядки, выводит на дисплей текущие показатели и во время отключит аккумулятор от питания. Как заряжать литиевую батарейку, если она полимерная? Различий нет, принцип действия у них один. Стоит такой зарядник недорого, около 20$, хорошо, если функция измерения емкости в наличии.

Любой зарядник должен преобразовать, стабилизировать сетевое напряжение, воздавая на выходе 5 В. Сила тока регулируемая 0,5 -1,0* С. С – емкость батареи в А-ч, МА-ч, в цифровом выражении. Зарядка предусмотрена по ускоренной схеме, до 80 % от емкости и по полной схеме, в 2 этапа, примерно около 3 часов. После полного набора энергии зарядник отключается.

Видео

Все разнообразие литиевых современных источников энергии и о том, как заряжать литиевую батарейку представлено на видео.

Источник