Литиевые элементы

Lithium cells

Victor Alexandrov

the candidate of the military. Sciences, associate Professor in the Department of electrical and radiotelephonic, associate Professor of Tyumen higher military engineering command school, Russia, Tyumen

Evgeny Shumyn

lecturer of the Department of electrical and radiotelephonic Tyumen higher military engineering command school, Russia, Tyumen

Viktor Yudin

lecturer of the Department of electrical and radiotelephonic Tyumen higher military engineering command school, Russia, Tyumen

Аннотация. В данной статье рассмотрены характерные особенности литиевых элементов, их достоинства, конструктивные особенности. Особое внимание в статье уделяется рассмотрению вариантов конструкций литиевых элементов их преимуществам и недостаткам, заряду и восстановлению гальванических элементов и батарей.

Abstract. In this article, the characteristic features of lithium elements, their dignity, design features are considered. Particular attention is paid in this article to the consideration of options for the construction of lithium cells for their advantages and disadvantages, the charge and the restoration of galvanic cells and batteries.

Ключевые слова: литиевые элементы; энергия; катод; анод; низкотемпературные свойства; заряд и восстановление.

Keywords: Lithium cells; energy; cathode; anode; low-temperature properties; charge and recovery.

Потребность в герметичных, малогабаритных элементах, способных отдавать большую мощность, не может быть удовлетворена за счет источников, основанных на ртутных, серебряных или марганцево-цинковых электрохимических системах. Необходимость создания систем с большой удельной энергией при приемлемых затратах на изготовление привела к разработке литиевых элементов с неводным электролитом.

Литиевые элементы обеспечивают удельную энергию по массе 330 Вт·ч/кг, что в 3 раза выше, чем у РЦ и СЦ, и в 4 раза выше, чем у МЦ. Удельная энергия по объему у литиевых элементов на 50 % выше, чем у РЦ, и на 100 % выше, чем у МЦ элементов.

Промышленностью выпускаются литиевые элементы следующих электрохимических систем:

Катодным активным веществом в литиевых элементах является чистый литий Li.

В качестве анодного активного вещества используются твердые окислители: оксиды (V₂O₅, CuO, SO₂), сульфиды (CuS, FeS,), фториды (CuF₂) и др.

Электролитами являются неорганические соли лития: бромид лития Li Br, перхлорад лития Li Cl O₄ и другие, растворенные в органическом растворителе. Растворителем служит смесь ацетонитрила AN и двуокиси серы SO₂.

Электролит лития LiBr: AN: SO₂.

Устройство литиевых элементов.

В литиевых элементах (ЛЭ) в качестве анода используется литий в виде полосы или фольги, реже встречается активная масса, нанесенная на металлическую сетку. Катод - пористый, на основе углеродных материалов.

Литиевые герметичные элементы выпускаются в двух вариантах: цилиндрические и дисковые.

Дисковые ЛЭ по устройству близки к дисковым РЦ и СЦ элементам. Цилиндрические имеют отличительные особенности. Устройство цилиндрического ЛЭ показано на рис.1.

Рисунок 1. Устройство цилиндрического ЛЭ: 1-корпус; 2-гермовывод; 3-крышка; 4-клапан; 5-отрицательный электрод; 6-положительный электрод; 7-сепаратор

Фольговый анод 5, гибкий катод 6 и сепаратор из полипропилена 7, плотно свернутые спирально в рулон, помещены в стальной никелированный корпус 1. Анод соединен токоотводом с корпусом, катод с гермовыводом в крышке 2, имеющим стеклянный изолятор. Герметизация элемента производится электронно-лучевой сваркой крышки 3 с корпусом. На крышке для исключения взрыва имеется клапан 4 для стравливания избыточного давления, которое может возникнуть при нарушении правил эксплуатации или хранения, например в случае переполюсовки элемента.

Достоинства литиевых элементов с неводным электролитом:

·     высокая удельная энергия;

·     хорошие низкотемпературные свойства;

·     большой срок годности;

·     экономическая эффективность.

Рисунок 2. Сравнение удельной энергии ЛЭ с объемной удельной энергией элементов других типов

Рисунок 3. Сравнение удельной энергии по массе ЛЭ с удельной энергией элементов других типов

Удельная энергия ЛЭ.

Превосходство литиевых систем над другими системами по объему удельной энергии показано на рис. 3.5. Представленные данные для трех литиевых систем отражают фактические характеристики их превосходства над другими элементами. Выигрыш в удельной энергии по массе, который виден из данных, представленных на рис. 3.6, может быть частично отнесен за счет малой массы активных веществ, используемых в ЛЭ. Так, удельная энергия по массе РЦ элемента составляет 50 % удельной энергии ЛЭ, а МЦ элемента со щелочным электролитом составляет 30 % удельной энергии ЛЭ.

Более высокая удельная энергия литиевых элементов, по сравнению с другими, в значительной степени связана с повышенным рабочим напряжением большинства элементов на основе лития. Литий, который имеет самый высокий потенциал среди металлов в ряду напряжений, дает возможность получить рабочее напряжение, превышающее примерно вдвое напряжение других электрохимических систем.

Низкотемпературные свойства ЛЭ.

Вследствие неводной природы электролитов, используемых в ЛЭ, их электропроводность при низких температурах намного выше, чем электропроводность других электрохимических систем.

Стабильность напряжения ЛЭ сохраняется при снижении температуры до -50⁰С, при этом элемент будет отдавать 50% емкости. Литиевые элементы работоспособны в интервале температур от -60 до +70⁰С, причем при температуре от -30 до +60⁰С емкость мало зависит от температуры.

В табл. 1 приведено сравнение низкотемпературных характеристик литиевых и других электрохимических систем.

Таблица 1.

Сравнение уменьшения емкости элементов различных электрохимических систем при понижении температуры (в % от комнатной температуры)

Сроки годности и хранения ЛЭ.

Герметизация ЛЭ, возможная из-за использования систем, не выделяющих газы в процессе разряда, защищает элементы от проникновения загрязнения из окружающей среды и предотвращает утечку электролита из элементов. Сроки хранения ЛЭ достигают десяти лет. За этот период потеря емкости при t = +20⁰С составляет 10 % номинальной. При t = +70⁰С саморазряд за шесть месяцев достигает от 12 до 35 %. Кроме того, в большинстве ЛЭ вещества, образующиеся в результате реакции саморазряда, в дальнейшем не участвуют в этой реакции и не увеличивают ее емкость. ЛЭ могут надежно работать в течение нескольких лет в режиме прерывистого разряда. В табл. 3.2 сравниваются предполагаемые сроки годности элементов различных систем.

Таблица 2.

Сравнение сроков хранения элементов различных электрохимических систем

Экономическая эффективность ЛЭ.

Высокая экономическая эффективность элементов литиевой электрохимической системы обусловлена следующими факторами.

Более длительный срок службы может быть достигнут за счет использования батарей тех же размеров, но меньшей массы. Появляется возможность работы устройств при отрицательных температурах. Более длительный срок годности ЛЭ приводит к уменьшению затрат на обслуживание, связанное с заменой элементов. Не требуется создание особых условий для хранения литиевых элементов.

Недостатки литиевых элементов:

1.  Высокая стоимость, связанная со сложной многооперационной технологией изготовления.

2.  Высокая химическая активность тионилхлорида, входящего в состав электролита ЛЭ, что связано с трудностями при выборе конструкционных материалов.

Восстановление гальванических элементов.

Существует ряд способов восстановления работоспособности гальванических элементов:

· МЦ элементы и батареи погружают в раствор нашатыря (150 мг NH₄Cl на 500 мг воды) и кипятят 5–10 мин, после чего охлаждают в холодной воде и вытирают насухо. После этого элемент подключают к источнику постоянного тока на 2–6 мин. При этом источник тока должен иметь напряжение на 20–30% превышающее напряжение заряжаемого элемента или батареи;

· способ частичного восстановления работоспособности МЦ элементов стаканчикового типа; состоит в просверливании нескольких отверстий в стаканчике элемента для обеспечения доступа воздуха к марганцевому электроду.