Секрет длительного срока службы батареи — низкий уровень ее саморазряда

Опубликовано в номере:
PDF версия
Срок службы встроенных в аппаратуру батарей, как правило, стремятся продлить за счет использования чипсетов с низким собственным энергопотреблением и перехода на энергоэффективные и экономичные протоколы связи. Однако на самом деле потенциальная экономия энергии, которую можно получить благодаря этим компонентам и техническим ухищрениям, не покроет потери энергии при саморазряде батарей. Как подобрать батарею, которая будет служить дольше?

Чтобы обеспечить надежную работу функционирующих удаленно беспроводных устройств, используемых в системах промышленной автоматизации и индустриальном «Интернете вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT), а также чтобы снизить общую стоимость владения такими устройствами, специалисты все чаще применяют литиевые батареи с длительным сроком службы. Питание подобных устройств литиевыми батареями индустриального класса позволяет устранить необходимость в прокладке кабелей для подключения к сети электропитания, что в условиях предприятия является непомерно дорогим удовольствием со стоимостью примерно $100 за фут (1 фут = 30,48 см) для любого типа проводного устройства, даже просто сетевого электрического выключателя. Эти затраты могут экспоненциально возрастать в труднодоступных местах.

Если удаленное беспроводное устройство потребляет средний ток в микроамперах, то при использовании основной (неперезаряжаемой) литиевой батареи индустриального класса оно, как правило, может надежно работать в течение весьма продолжительных периодов времени без ее замены. Если же устройство потребляет средний ток в миллиамперах, то лучше выбрать тип устройств, основанный на сборе так называемой свободной энергии (англ. energy harvesting — получение и преобразование энергии побочных механических, тепловых или электромагнитных воздействий из окружающей среды в электрический ток), в сочетании с литий-ионным (Li-ion) аккумулятором, предназначенным для накопления и хранения собранной энергии, которая обычно поступает относительно малой мощности и небольшими порциями.

 

Литий-тионилхлоридные батареи

У лития самый высокий собственный электрохимический отрицательный потенциал среди металлов, при этом он еще и самый легкий твердый металл. Это позволяет изготавливать на его основе батареи, обладающие самой высокой удельной энергией (энергия на единицу веса) и удельной плотностью энергии (энергия на единицу объема) из всех доступных химических батарей. При этом литиевые элементы работают в диапазоне номинального рабочего тока (operating current voltage, OCV) в диапазоне 2,7–3,6 В. Еще одно важное преимущество — химические компоненты литиевых батарей не представлены в виде водных растворов, что снижает вероятность их замерзания при экстремально низких температурах и закипания при высоких с выделением паров или газов.

Сегодня для изготовления батарей доступны многочисленные первичные химические составы лития, в том числе: литий/дисульфат железа (LiFeS2), литий-диоксид марганца (LiMnO2), тионилхлорид лития (LiSOCl2) и металлический оксид лития. Из всех этих вариантов для долгосрочных необслуживаемых развертываний, связанных с экстремальными средами эксплуатации, предпочтительными являются литиевые элементы на основе LiSOCl2. Такие элементы питания могут использоваться в самых разных устройствах и системах, включая системы автоматического считывания показаний счетчиков (Automatic Meter Reading / Advanced Metering Infrastructure, AMR/AMI), межмашинное взаимодействие (Machine-to-Machine, M2M), диспетчерское управление и сбор данных (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA), мониторинг уровня наполнения резервуаров, отслеживание состояния производственных активов, датчики параметров и состояния окружающей среды и множество других вариантов.

Цилиндрические LiSOCl2-батареи так называемого бобинного типа (по структуре электрода) характеризуются самыми высокими емкостью и удельной энергией среди всех литиевых батарей, что обеспечивает миниатюризацию конечного продукта при их применении. Эти батареи также имеют низкую годовую скорость саморазряда (для некоторых типов элементов она составляет менее 1% в год), что позволяет им бессменно работать до 40 лет. Бобинные батареи на основе LiSOCl2 также имеют самый широкий температурный диапазон (–80…+125 °С) и, поскольку они свободны от внутреннего газообразования, изготавливаются в корпусах с надежным герметичным уплотнением из стекла и металла, которое защищает их от разгерметизации и протечек (рис. 1) без опасности взрыва.

Доказано, что срок службы бобинных батарей на основе LiSOCl2 в некоторых приложениях с низким энергопотреблением может достигать 40 лет.

Рис. 1. Доказано, что срок службы бобинных батарей на основе LiSOCl2 в некоторых приложениях с низким энергопотреблением может достигать 40 лет.
Это и следующие изображения предоставлены компанией Tadiran Batteries

Специально модифицированные бобинные батареи на основе LiSOCl2 используются в так называемой холодовой цепи (технология непрерывного соблюдения оптимальной низкой температуры при хранении и транспортировке) для постоянного контроля условий транспортировки замороженных продуктов, фармацевтических препаратов, образцов тканей и органов для трансплантации при температурах до –80 °C. Бобинные LiSOCl2-батареи также адаптируются и к высоким температурам. Например, эти батареи питают активные радиочастотные метки (RFID), которые отслеживают местонахождение и состояние медицинского оборудования без необходимости извлекать батарею перед его стерилизацией в автоклаве, где температура может достигать +125 °C (рис. 2).

Литиевые LiSOCl2-батареи бобинного типа позволяют медицинским активным RFID-меткам проходить высокотемпературную стерилизацию в автоклаве без необходимости их предварительного извлечения

Рис. 2. Литиевые LiSOCl2-батареи бобинного типа позволяют медицинским активным RFID-меткам проходить высокотемпературную стерилизацию в автоклаве без необходимости их предварительного извлечения

 

Значимость снижения саморазряда

Саморазряд — это естественное явление, которое в той или иной степени характерно для любых химических источников тока, в том числе литиевых батарей. Оно связано с тем, что химические реакции в батарее происходят даже тогда, когда батарея не используется и лежит на складе в своей упаковке. Скорость саморазряда варьируется в зависимости от ряда факторов, в том числе от тока разряда элемента, который определяется конструкцией этого элемента, чистотой и качеством исходного сырья, а также способностью производителя батареи контролировать пассивацию элемента, тем самым замедляя воздействие химических реакций, приводящих к саморазряду.

 

Пассивация

Пассивация представляет собой тонкую пленку соли хлорида лития (LiCl), которая формируется вследствие естественной реакции между анодом и катодом, создавая между электродами слой с высоким сопротивлением и тем самым ограничивая химические реакции, вызывающие саморазряд. Пассивирующий слой является резистивным слоем, который наращивается со временем, что предотвращает или уменьшает внутренний разряд батареи, обеспечивая более продолжительный срок службы. Недостаток пассивирующего слоя состоит в том, что батарея, когда ее используют впервые после работы в режиме ожидания, проявляет повышенное внутреннее сопротивление. При этом исходное доступное напряжение может не соответствовать по мощности в достаточной мере питанию, необходимому устройству. Однако вызванное пассивацией временное падение напряжения элемента продлится до тех пор, пока реакция разряда не удалит пассивирующий слой. Процесс образования слоя пассивации повторяется каждый раз при снятии нагрузки с батареи. Примеры с сосудами, иллюстрирующие явление саморазряда, показаны на рис. 3.

Секрет длительного срока службы батареи

Рис. 3. Примеры с сосудами
а) низкий расход жидкости / низкий уровень саморазряда;
б) средний расход / средний саморазряд;
в) высокий расход / высокий саморазряд

На степень пассивации могут влиять различные факторы, включая текущую энергетическую емкость ячейки, продолжительность и температуру хранения батареи, температуру ее разряда, а также условия предыдущего разряда, поскольку частичная разрядка ячейки и последующее снятие нагрузки увеличивают слой пассивации по сравнению с тем временем, когда батарея была новой.

 

Лучшее решение — баланс

С одной стороны, пассивация необходима для уменьшения саморазряда батареи, но с другой, слишком большой пассивирующий слой может ограничить отдачу энергии в тот момент, когда энергия больше всего необходима, например при импульсном потреблении тока с длительными паузами. И наоборот, меньшая пассивация позволяет увеличить скорость потока энергии. Компромиссом является более высокая скорость саморазряда и более короткий срок службы батареи.

Секрет длительного срока службы батареи

Рис. 4. Сравнительная скорость потока:
а) батареи серии XOL TL-49xx;
б) батареи серии IXTRA TL-59xx и батареи ряда других производителей;
в) батарея на основе LiMnO2 и щелочные элементы

Секрет длительного срока службы батареи

Рис. 5. Сравнительная скорость испарения / саморазряда:
а) батареи серии XOL TL-49xx;
б) батареи серии IXTRA TL-59xx и батареи ряда других производителей;
в) батарея на основе LiMnO2 и щелочные элементы

Секрет длительного срока службы батареи

Рис. 6. Оставшаяся вследствие саморазряда (без нагрузки) емкость после 10 и 20 лет:
а) батареи серии XOL TL-49xx;
б) серия IXTRA TL-59xx и батареи ряда других производителей, как правило, не рекомендующиеся для применений, требующих более 10 лет срока службы (среднесуточный ток, потребляемый для работы устройства, и годовая скорость саморазряда приведут к уменьшению их емкости до такой низкой точки, что она поставит под угрозу долговременную надежность конечного устройства);
в) батарея на основе LiMnO2 и щелочные элементы, высокая годовая скорость саморазряда делает невозможным срок службы батареи более 10 лет

Засоренные отверстия — пассивация — предотвращение потока. Жидкость / электролит низкого качества могут заморозиться и закупорить отверстие, которое может не открыться даже в тепле

Рис. 7.  Засоренные отверстия — пассивация — предотвращение потока. Жидкость / электролит низкого качества могут заморозиться и закупорить отверстие, которое может не открыться даже в тепле

Сравнительный анализ влияния пассивации на саморазряд и отдачу энергии проведем также на примере бутылок с жидкостью с отверстиями разных размеров (рис. 3–7). Это позволит нам сделать следующие наблюдения и выводы:

  • объем стакана / бутылки эквивалентен емкости батареи;
  • испарение / саморазряд эквивалентны потере мощности;
  • объем потока равен расходу жидкости / энергии;
  • низкое качество жидкости / электролита может привести к закупориванию отверстия, что может вызвать остановку потока / пассивации;
  • низкое качество жидкости / электролита может вызвать испарение / саморазряд;
  • батареи бобинного типа на основе LiSOCl2 имеют очень маленькие отверстия;
  • батареи на основе LiMnO2 и щелочные (алкалиновые) батареи имеют большие отверстия, которые обеспечивают более высокие уровни тока / потока, но также приводят к более быстрому испарению / саморазряду;
  • большие отверстия хороши для большего потока / большей разгрузки, но не для хранения жидкости в течение длительного времени;
  • для длительного срока службы нужно небольшое отверстие для низкого испарения / саморазряда;
  • размер отверстия / конструкция батареи являются критической проблемой: слишком большое отверстие может вызвать слишком сильное испарение / саморазряд, слишком маленькое отверстие — заблокировать поток, поскольку оно может быть забито (пассивация);
  • качество жидкости / химического состава крайне важно для поддержания низкого уровня примесей / пассивации.

 

Как обеспечить низкий саморазряд

Удаленным беспроводным устройствам часто требуются периодические высокие импульсы мощности, которые необходимы для их питания в режиме двусторонней беспроводной связи и других расширенных функциональных возможностей. Эти требования неизменно приводят к увеличению дополнительного потребляемого тока, поэтому для экономии энергии используются различные схемотехнические методы, в том числе протоколы связи с низким энергопотреблением (ZigBee, WirelessHART, LoRa и т. д.), а также микропроцессоры с низким собственным энергопотреблением, благодаря им осуществляются более эффективная выборка и передача данных.

Стандартные бобинные батареи на основе LiSOCl2 из-за особенностей конструкции не предназначены для обеспечения мощных импульсов. Однако проблема с ограничением уровня мгновенной мощности может быть легко решена с помощью добавления запатентованного суперконденсатора с гибридным слоем (hybrid layer capacitor, HLC). Стандартная LiSOCl2-батарея бобинного типа обеспечивает низкий обычный стационарный ток потребления для фоновых процессов, в то время как конденсатор отдает свою энергию во время периодических импульсов, требующих высокой мощности, например при передаче данных. У запатентованного HLC также есть специальная характеристика напряжения в конце его срока службы, которую можно использовать и интерпретировать как автоматическое оповещение о низком заряде батареи (рис. 8).

Батареи PulsesPlus объединяют стандартную LiSOCl2-батарею бобинного типа с запатентованным суперконденсатором с гибридным слоем (HLC)

Рис. 8. Батареи PulsesPlus объединяют стандартную LiSOCl2-батарею бобинного типа с запатентованным суперконденсатором с гибридным слоем (HLC)

Суперконденсаторы обеспечивают высокие импульсы тока электростатически, а не посредством химической реакции. Поскольку они в основном используются в бытовой электронике, суперконденсаторы, как правило, не подходят для промышленного применения из-за таких недостатков, как кратко­временная отдаваемая мощность и линейность характеристики разряда, что не позволяет применять всю доступную в них энергию. Кроме того, по сравнению с химическими источниками тока им свойственны более низкая энергетическая емкость, меньшая плотность энергии и более высокий уровень саморазряда, достигающий 60% в год от их первоначального заряда. Суперконденсаторы, соединенные последовательно, также требуют использования цепей балансировки ячеек, которые увеличивают их стоимость, повышают габариты и требуют определенных затрат энергии, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению скорости их саморазряда (рис. 9).

Батарея XOL/HLC в действии: большой поток при импульсной нагрузке

Рис. 9. Батарея XOL/HLC в действии: большой поток при импульсной нагрузке

 

Тестирование на годовой саморазряд

Проблемы функционирования батареи, изначально выбранной для длительной эксплуатации, но обладающей слишком высокой скоростью саморазряда, могут не проявляться в течение многих лет, а теоретические методы прогнозирования фактического срока службы батареи обычно недооценивают важность эффекта пассивации и влияние длительного воздействия экстремальных температур.

Если требуется длительный срок службы батареи, необходимо провести надлежащую проверку, тщательно оценив потенциальных поставщиков. Этот процесс начинается с запроса полностью документированных результатов долгосрочных испытаний, в том числе в полевых условиях, и отзывов клиентов на реальные устройства, работающие при аналогичных нагрузках и в похожих условиях окружающей среды.

Например, точные данные испытаний необходимы при выборе батарей для беспроводных измерительных устройств типа AMR/AMI, поскольку внезапный отказ батареи может нарушить работу биллинговых систем (систем формирования счетов) клиента и заблокировать возможности удаленного запуска и отключения. Город Спрингфилд (США) усвоил этот урок нелегким путем: муниципалитет каждый год был вынужден заранее заменять тысячи батареек на уже установленных водомерах, чтобы избежать массового нарушения работы автоматических биллинговых систем (рис. 10).

Измерительные беспроводные системы типа AMR/AMI находятся под землей и труднодоступны для замены батарей. Кроме того, они часто подвержены воздействию экстремальных температур

Рис. 10. Измерительные беспроводные системы типа AMR/AMI находятся под землей и труднодоступны для замены батарей. Кроме того, они часто подвержены воздействию экстремальных температур

 

Дополнительные моменты

При выборе литиевой батареи индустриального класса следует учитывать целый ряд различных, причем часто противоречивых, технических требований:

  • уровень тока, потребляемого в активном режиме (наряду с размером, длительностью и частотой импульсов);
  • энергию, потребляемую в режиме ожидания или в спящем режиме (основной ток);
  • время хранения элемента (нормальный саморазряд во время хранения уменьшает емкость);
  • ожидаемые температуры (в том числе при хранении и эксплуатации в полевых условиях);
  • напряжение отключения оборудования (по мере разрядки батареи или при экстремальных температурах напряжение может упасть до уровня, слишком низкого для работы датчика);
  • ежегодную скорость саморазряда батареи (которая может приближаться к величине тока, потребляемого при среднестатистическом ежедневном использовании).

Высококачественная LiSOCl2-батарея бобинного типа позволяет некоторым устройствам с низким энергопотреблением работать до 40 лет, обеспечивая низкую стоимость владения из-за очень небольшой годовой скорости саморазряда.

При расчете предполагаемой стоимости владения следует обязательно учитывать все ожидаемые расходы, включая будущие замены батареи в течение срока службы устройства, а также рассчитывать дополнительные расходы и риски, связанные с прежде­временным выходом батареи из строя.

Если важно максимально продлить срок службы батареи, необходимо помнить о том, что теоретические утверждения, касающиеся срока службы батареи, часто вводят в заблуждение из-за неправильного измерения и учета эффекта пассивации и потерь энергии, вызванных длительным воздействием экстремальных температур. Вывод следующий — при выборе батарей рекомендуется быть очень внимательным и проявлять должную осмотрительность, взвешивая все pro et contra. Не стоит забывать, что скупой платит дважды, а в этом случае, возможно, и гораздо больше.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.