A piacon kapható egyszer használatos (primer) elemek változatos méretekben kaphatóak, és kémiai rendszerüket tekintve is sokfélék lehetnek. A régi szén-cink elemeket felváltották a széles körben használatos alkálielemek, ma pedig az ipar előszeretettel használja a lítiumelemeket, melyek tartósabbak, jobban terhelhetőek, könnyebbek a hétköznapi eldobható elemeknél. Cikkünk segít eligazodni a tervezőmérnököknek az egyes változatok között a világ egyik vezető primer elemgyártója, az EVE Battery kínálatának bemutatásával.
Lítiumtechnológia – eldobható és tölthető elemek
Az elem olyan energiatároló és -átalakító rendszer, mely kémiai reakció útján képes töltést létrehozni, azaz a kémiai energiát villamos energiává alakítani. Ebben a minireaktorban – annak áramkörbe kapcsolásakor – lejátszódó kémiai reakció szabad elektronokat hoz létre. A telep kisülése során ezeknek a szabad elektronoknak a katód felé áramlása az a villamos áram, melyet az anód és katód közé kapcsolt külső áramkör táplálásához használhatunk fel. Ha a kisülés után a kémiai reakció nem visszafordítható, akkor primer (eldobható) telepről beszélünk, ha valamelyik, a reakcióban részt vevő anyag elfogy, az elem lemerül, és cserére szorul. Ha külső töltőáram felhasználásával a töltés visszaállítható, akkor szekunder, azaz tölthető elemről beszélünk.
Az elemtechnika fejlődése során a lítium mint a legkisebb sűrűségű, legnagyobb elektrokémiai potenciállal és legjobb energiatárolóképesség/tömeg hányadossal rendelkező fém alkalmazhatósága került előtérbe. A szakirodalom a „lítium vagy lítium-fém elemeken" a fém lítiumadóddal rendelkező primer (eldobható) elemeket érti, ami nem keverendő össze az újratülthető „lítiumion" elemekkel. Ez utóbbiak anódja nem fémlítium, hanem grafit, katódja pedig lítium kombinációja valamilyen átmenetifém (nikkel, kobalt, mangán, vas)-oxiddal, az elektrolit pedig szerves karbonát oldószerben oldott lítiumsó. Kisüléskor a rendkívül gyorsan reagáló lítium, elektronját feladva, Li+ ionná alakul, a szabad elektronok áramlása pedig elektromos áram formájában hasznosul. Töltéskor a külső villamos feszültség hatására a Li+ ionok visszaáramolva interkalálódnak az anód porózus grafitanyagába, így újra kész a rendszer az energiatermelésre.
A hagyományos, újratölthető Li-ion elemek mellett a 90-es évek vége felé megjelentek a folyékony elektrolitot szilárd polimer vegyületekkel helyettesítő Li-Poly elemek, melyek nem a Li-ion elemeknél általános merev fémházzal, hanem hajlékony borítással, változatos és kis méretekben készülnek, és bár kapacitásuk kisebb, mégis ideális energiaforrásai lettek a hordozható elektronikai eszközöknek.
Az EVE Battery mind a Li-ion, mind a Li-Poly technológiát alkalmazza újratölthető elemei gyártásához, azonban a világon igazán vezető szerepe az eldobható elemek (primer cellák) piacán van.
Lítium-fém primer elemek általános jellemzői
Hőmérséklet/páratartalom
Az elemek legnagyobb ellensége a magas hőmérséklet: a nagy hőmérsékleten tárolt primer elemek önkisülése elérheti a 35%-ot is, ezért lehetőség szerint tároljuk az elemeket +10 °C és +25 °C között., és kerülni kell a 40% alatti és 95% feletti relatív páratartalmat is!
Névleges kapacitás
Adott kisütési körülmények (adott C-rate – kisütési áram) mellett értelmezett, a teljes feltöltéstől a letörési feszültség eléréséig rendelkezésre álló Ah-érték, melyet a kisütési áram értékének (A) a kisülésig eltelt idő (h) szorzatával definiálunk.
C= I (A) * t (h)
Telepfeszültség
Passziváció
A passziváció a primer lítiumelemekre jellemző fizikai jelenség, mely a fém lítiumanód és az elektrolit kölcsönhatásával van kapcsolatban. Amikor a gyártás során a cellába elektrolit kerül, egy vékony, ún. passzivációs réteg alakul ki az anódfelületen, melynek fontos szerepe van abban, hogy terheletlen állapotban a további reakciót megakadályozva az elemet megvédje a lemerüléstől. Amikor a cellában áram kezd folyni, az ionáramlás elbontja a passzívációs réteget. Normálkörülmények közt a vékony réteg nem csökkenti a telep használhatóságát, ám ha az rossz tárolási körülmények miatt nagyon megvastagszik, akkor problémát jelenthet a terhelés rákapcsolásakor. Hosszú, hónapokig vagy évekig tartósan szobahőmérséklet felett tárolt lítiumelemekben a passzivációs réteg nagyon megvastagodhat, ami a terhelés megjelenésekor késleltetést okozhat az elvárt kimeneti feszültség megjelenésében. Míg kis áramterheléskor a késleltetés után elfogadható idő alatt megérkezik a feszültségválasz, ha az elemnek hirtelen nagy impulzusterhelést kell kiszolgálnia, előfordulhat, hogy a feszültség a letörési feszültség alatt marad. A megfelelő tárolási körülmények biztosítása a legjobb módszer a feszültségkésleltetési problémák leküzdésére, bár számos más módszerrel is javíthatunk a passziváció okozta problémákon, például folyamatos alacsony terhelésen való tartással, vagy intelligens programozott indítással is.
Nem szabad azonban a passzívációt káros jelenségnek tartani, hiszen ez biztosítja a lítiumelemek kivételesen hosszú tárolhatóságát. A későbbiekben részletesebben foglalkozunk a LiMnO2-elemekkel, melyeknél a passziváció még sokáig történő tároláskor és rövid ideig tartó magas hőmérsékletnek kitettségkor sem jelentkezik. A többi Li-alapú kémiai rendszer esetén alacsony és folyamatos terhelés az ideális.
Belső felépítés
A primer Li-elemek belső felépítéséről is kell szólni néhány szót, mert a struktúra jelentős viselkedésbeli eltéréseket eredményez. A hengeres LiSOCl2-elemek általában spirális, vagy ún. „Bobbin"-struktúrájúak.
Előbbiek mag köré spirálisan tekercselt nagy felületű fémlapot használnak a nagy áramok eléréséhez, míg a Bobbin-cellák fémlítiumból készült hengerből és cérnatekercsre hasonlító, belső elektródából állnak, ahogy az alábbi ábrán is látható.
A spirális cellákban minél több rétegű a tekercs, annál kisebb hely van az elektrolit számára, ezért ezeknek az elemeknek a töltéshordozó képessége kisebb, azonban a nagy elektródafelület miatt az impulzusáramuk igen magas. A Bobbin-cellákban nagyobb az elektrolit mennyisége, és bár kisebb áramot tudnak leadni, energiatároló képességük 30%-kal magasabb, mint az azonos méretű spirális celláké. Ezért az alkalmazástól függően, ott, ahol pillanatszerű, nagy áramerősségre van szükség, a spirális cellák kerülnek előtérbe, ahol pedig a kapacitás a lényegesebb, ott a Bobbin-cella alkalmazható eredményesebben. (Megjegyzendő, hogy a spirális cella a nagy áramimpulzus-leadási képessége okán külső fizikai behatás esetén veszélyesebb, és bár az EVE speciális biztonsági szelepei a komoly problémákat megakadályozzák, az ilyen elemekből épült nagy energiájú csomagok használata helyett inkább Bobbin-elemek és nagy impulzusáramot biztosítani képes SPC eszközök együttes használata javasolt.)
A spirális cellák másik előnyös tulajdonsága, hogy a feszültségkésleltetésük kisebb, mint a Bobbin-struktúrájú társaiké. A fenti SPC-vel épített elemcsomagok ezt a problémát is kiküszöbölik, mert az energia az SPC-ből késleltetés nélkül kerül a rendszerbe.
Cikkszámszabványok
Az elemgyártók követik a vonatkozó szabványokat, így viszonylag könnyű dolga van a fejlesztőknek az egyes termékek összevetésekor. Ahhoz, hogy teljes legyen a kép, bemutatjuk ezeket az elnevezési szabályokat is. A primer (eldobható) elemek elsődlegesen kémiai rendszerük alapján kerülnek megkülönböztetésre:
A cellákat formájuk és méretük alapján is elkülönítjük a cikkszám második betűjétől kezdődően:
R – kör alakú, hengeres cella
F – lapos cella
S – négyzet alakú cella
Az EVE Battery eldobható primer elemtípusai közül a következőket tekintjük át részletesen:
- LiSOCl2 – lítium-thionyl-klorid ERxx/EFxx
- Nagy hőmérsékletű elemek – LiSOCl2
- Implantátumelemek LiSOCl2 kémiai rendszer, rozsdamentes acélvagy titániumházban
- LiMnO2 — lítium-mangán-dioxid CRxx/CFxx
- LiFeS2 — lítium-vas-diszulfid AA/AAA
LiSOCl2 – lítium-thionyl-klorid „ER"-elemek
Kémiai rendszerét tekintve ez az elemcsalád porózus (szén) és SOCl2 keverékéből, folyékony katódból és fém lítiumanódból áll. A kisülés során bekövetkező kémiai reakció a következő:
4Li + 2SOCl2 → SO2 + S + 4LiCl.
A lítium-thionyl-klorid-elemek üresjárati feszültsége 3,66 V, és 3,4–3,6 V körüli terhelés alatti üzemi feszültségükkel az egyik legnagyobb feszültségű primer cellatípusok a piacon.
½ AA mérettől D (góliát) méretig elérhetők, és ez a család a legnagyobb energiasűrűségű (1280 Wh/dm3) az eldobható elemek között. Működési hőmérséklet-tartománya -55 °C –+85 °C, de létezik speciálisan kialakított, 15 °C kiterjesztett üzemi hőmérséklet-tartománnyal rendelkező változata is. A család önkisülése extrém alacsony, kevesebb mint 1% @ 20 °C, emiatt rendkívül hosszú ideig, 10-20 évig is tárolható megfelelő körülmények között. UN- és UL-tanúsítványai garantálják a biztonságos szállítást és alkalmazást. Spirális változatban (pl. ER14250M) elérhetők a nagy impulzusáram-igényű alkalmazásokhoz, ilyenkor az EVE által alkalmazott anódszelepek felelnek a biztonságért, a hosszabb működéshez pedig Bobbin-változatok választhatók (pl. ER14250).
Az elem kapacitása adott kisütési áram mellett meghatározza a kisütés időtartamát, a kisütés ideje alatt azonban az üzemi (CCV) feszültség idővel csökkenni kezd. Az ER-elemek betervezésekor figyelembe kell venni, hogy a külső hőmérséklet nagy hatással van az elem viselkedésére. A megelőző ábrákon egy Bobbin-struktúrájú (ER17505) és egy spirális (ER17505M) elem feszültség-hőmérséklet karakterisztikái hasonlíthatók össze különböző terhelőáramok mellett.
Látható, hogy a spirális cellák kevésbé érzékenyek a külső hőmérséklet változására, ráadásul a passziváció sem oly mértékben jelentkezik náluk, ellenben kapacitásuk kisebb, mint a Bobbin-típusoké.
Az ER-elemek alkalmazásai
- Áram- és gázmérők, fogyasztásmérők
- Autóipari telematika
- GPS-, RFID-alkalmazások
- Biztonságtechnikai berendezések
- Professzionális elektronika
- Olajfúrás
(Érdekességként említem meg, hogy az EVE Battery 2014-ben napi 400000 db ilyen elemet gyártott, melyek túlnyomó többsége hengeres elem.)
LiMnO2 – lítium-mangán-dioxid „CR"-elemek
Kémiai rendszerét tekintve ez az elemcsalád egy szerves alapú, nem korrodáló, nem mérgező, folyékony elektrolittal feltöltött, szilárd MnO2 katódból és fém lítiumanódból áll. A kisülés során bekövetkező kémiai reakció a következő:
Li + MnIVO2 –> MnIIIO2 (Li+)
(Itt is megemlíteném, hogy az EVE Battery 2014-ben napi 720000 db ilyen elemet gyártott, melyek túlnyomó többsége gombelem.)
A CR-elemek alkalmazásai
- Alaplap CMOS és RTC (real time clock) táplálása
- Távvezérlők, kocsikulcsok
- Veszélyes gázszenzorok energiaellátása
- Orvoselektronika (vércukormérő és egyéb kéziműszerek)
- Füstdetektorok
- Digitális kamera
- Fogyasztásmérők (víz-, gáz, villamosenergia-mérők)
- RFID
- ETC (electric toll collect), TPMS
Lítium-vas-diszulfid (LiFeS2) eldobható elemek
Tulajdonságok
- 1,5 V AA és AAA elemek közvetlen helyettesítése
- Sokkal nagyobb teljesítmény
- Közepes vagy erős igénybevétel esetén sokkal hosszabb élettartam, mint más eldobható elemeknél
- Alacsony hőmérséklet (–40 °C) esetén sokkal jobb teljesítmény, mint más eldobható elemeknél
- Magasabb üzemi feszültség és laposabb kisülési karakterisztika, mint más eldobható elemeknél
- Sokkal kisebb önkisülés, mint más eldobható elemeknél
- Sokkal hosszabb szobahőmérsékleten való tárolhatóság, mint más eldobható elemeknél
- Sokkal hosszabb, nagy hőmérsékleten (+60 °C-ig) való tárolhatóság, mint más eldobható elemeknél
- Kisebb tömeg
- Nem tartalmaz higanyt, kadmiumot és ólmot
Más AA/AAA elemekkel való összehasonlítás:
Az első összehasonlító ábrán AA alkáli- és LiFeS2-elem kapacitásának összevetése látható többféle terhelőárammal végzett folyamatos terhelés mellett 20 °C hőmérsékleten 0,9 V CutOff feszültség eléréséig. Megfigyelhető, hogy nagy áramú kisütés esetén az alkálielemek üzemideje messze alatta marad a lítiumváltozaténak. Kisebb terhelőáramok esetén az eltérés kevésbé jelentős, de ott is jelen van.
A második összehasonlító ábrán az összevetés többféle terhelőárammal végzett folyamatos terhelés mellett különböző hőmérsékleteken, 0,9 V CutOff feszültség eléréséig történő mérések eredményeit mutatja. Megfigyelhető, hogy extrém alacsony hőmérsékletek esetén a lítiumelemek a terheléstől függetlenül sokkal hosszabb ideig üzemképesek, míg nagy árammal való terheléskor az alkálielemek üzemideje messze alatta marad a lítiumváltozaténak, normál és magasabb hőmérsékleten is. Kis terhelőáramok esetén az eltérés szobahőmérsékleten és magas hőmérsékleten kevésbé jelentős, de ott is jelen van.
Felhasználási terület
- Vezeték nélküli egér, billentyűzet
- Orvoselektronikai készülékek
- Elektronikus szótárak
- Mérőműszerek
- Rádió adó-vevő készülékek
- Digitális kamerák
- GPS
- Számológépek
- Elektronikus órák
- Szenzorok
