Литиевые батареи являются первичными батареи с металлическим литиевым в качестве анода. Эти типы батарей также называют литий-металлическими батареями.
Они отличаются от других аккумуляторов высокой плотностью заряда (длительный срок службы) и высокой стоимостью единицы. В зависимости от конструкции и используемых химических соединений литиевые элементы могут создавать напряжение от 1,5 В (сравнимо с угольно-цинковой или щелочной батареей ) до примерно 3,7 В.
Одноразовые первичные литиевые батареи следует отличать от вторичных литий-ионных или литий-полимерных, которые являются перезаряжаемыми батареями. Литий особенно полезен, потому что его ионы могут перемещаться между анодом и катодом, используя интеркалированное соединение лития в качестве материала катода, но без использования металлический литий в качестве материала анода. Чистый литий мгновенно вступает в реакцию с водой или даже с влагой воздуха; литий в литий-ионных батареях находится в менее реактивном соединении.
Литиевые батареи широко используются в портативных бытовых электронных устройствах и в электромобилях, от полноразмерных транспортных средств до радиоуправляемых игрушек. Термин «литиевая батарея» относится к семейству литий-металлических элементов с различным химическим составом, включающим многие типы катодов и электролиты, но все с металлическим литием в качестве анода. Аккумулятор требует от 0,15 до 0,3 кг лития на кВтч. В соответствии с конструкцией этих первичных систем используется заряженный катод, который является электроактивным материалом с кристаллографическими вакансиями, которые постепенно заполняются во время разряда.
Схема литиевой батарейки с MnO 2 (диоксид марганца) на катоде.В наиболее распространенных типах литиевых элементов, используемых в потребительских приложениях, используется металлический литий в качестве анода и диоксид марганца в качестве катода с солью лития, растворенной в органическом растворителе.
Химия | Катод | Электролит | Номинальное напряжение | Напряжение холостого хода | Втч / кг | Втч / л |
---|---|---|---|---|---|---|
Li-MnO 2. (код IEC: C),. "CR" | Нагрев- обработанный диоксид марганца | перхлорат лития в органическом растворителе (пропиленкарбонат и диметоксиэтан во многих сообщениях на ячейках) | 3 В | 3,3 В | 280 | 580 |
«Li-Mn». Самая распространенная литиевая батарея потребительского класса, около 80% рынка литиевых батарей. Использует недорогие материалы. Подходит для малозатратных, долговечных и недорогих применений. Высокая плотность энергии как по массе, так и по объему. Диапазон рабочих температур от -30 ° C до 60 ° C. Может доставлять большие импульсные токи. При разряде внутренний импеданс увеличивается, а напряжение на клеммах уменьшается. Высокий саморазряд при высоких температурах. 1,2-диметоксиэтан является REACH кандидатом , вызывающим очень серьезную озабоченность. | ||||||
Li- (CF) x. (код IEC: B),. "BR" | Монофторид углерода | Тетрафторборат лития в пропиленкарбонате, диметоксиэтане или гамма-бутиролактоне | 3 V | 3,1 В | 360–500 | 1000 |
Катодный материал, образованный высокотемпературным интеркалированием газа фтора в графит порошок. По сравнению с диоксидом марганца (CR), имеющим такое же номинальное напряжение, он обеспечивает большую надежность. Используется для приложений с низким и средним током в памяти и батареях резервного питания часов. Используется в аэрокосмической отрасли, пригоден для использования в космосе с 1976 года, в военных применениях как на суше, так и на море, в ракетах и искусственных кардиостимуляторах. Работает до 80 ° C. Очень низкий саморазряд (<0.5%/year at 60 °C, <1%/yr at 85 °C). Developed in the 1970s by Matsushita. | ||||||
Li-FeS 2. (код IEC: F),. «FR» | дисульфид железа | пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1,4–1,6 В | 1,8 В | 297 | |
«Литий-железо», «Li / Fe». Называется «совместимым по напряжению. «литий, потому что он может работать как замена щелочных батарей с номинальным напряжением 1,5 В. Таким образом, литиевые элементы Energizer размера AA и AAA используют этот химический состав. Срок службы в 2,5 раза выше для режима сильноточного разряда, чем у щелочных батарей, лучше хранение срок службы за счет более низкого саморазряда, время хранения 10–20 лет. FeS 2 дешев. Катод часто представляет собой пасту из порошка сульфида железа, смешанного с порошкообразным графитом. Вариант - Li-CuFeS 2. | ||||||
Li -SOCl 2. (код IEC: E) | Тионилхлорид | тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде | 3,5 В | 3,65 В | 500 –700 | 1200 |
Жидкий катод. Для низкотемпературных применений. Может работать до -55 ° C, где занимает более 50% своей номинальной мощности. Незначительное количество газа, произведенное при номинальном использовании, ограниченное количество при злоупотреблении. Имеет относительно высокий внутренний импеданс и ограниченный ток короткого замыкания. Высокая плотность энергии, около 500 Втч / кг. Токсично. Электролит реагирует с водой. Слаботочные элементы, используемые для портативной электроники и резервного копирования памяти. Сильноточные элементы, используемые в военных приложениях. При длительном хранении образует пассивирующий слой на аноде, что может привести к временной задержке напряжения при вводе в эксплуатацию. Высокая стоимость и соображения безопасности ограничивают использование в гражданских целях. Может взорваться при коротком замыкании. Underwriters Laboratories требует наличия обученного техника для замены этих батарей. Отгрузка опасных отходов 9 класса. Не используется для бытовых или универсальных батарей. | ||||||
Li-SOCl 2, BrCl, Li-BCX. (код IEC: E) | Тионилхлорид с хлоридом брома | тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде | 3,7–3,8 V | 3,9 V | 350 | 770 |
Жидкий катод. Вариант тионилхлоридной батареи с повышенным напряжением на 300 мВ. Более высокое напряжение снова падает до 3,5 В, как только хлорид брома израсходуется в течение первых 10–20% разряда. Считается, что клетки с добавлением хлорида брома более безопасны при злоупотреблении. | ||||||
Li-SO 2Cl2 | Сульфурилхлорид | 3,7 В | 3,95 В | 330 | 720 | |
Жидкий катод. Похож на тионилхлорид. Разряд не приводит к накоплению элементарной серы, которая, как считается, участвует в некоторых опасных реакциях, поэтому сульфурилхлоридные батареи могут быть более безопасными. Коммерческое развертывание затруднено из-за склонности электролита к коррозии литиевых анодов, что сокращает срок хранения. Хлор добавлен в некоторые клетки, чтобы сделать их более устойчивыми к злоупотреблениям. Сульфурилхлоридные элементы дают меньший максимальный ток, чем тионилхлоридные, из-за поляризации углеродного катода. Сульфурилхлорид бурно реагирует с водой, выделяя хлористый водород и серную кислоту. | ||||||
Li-SO 2 | диоксид серы на тефлоновой -связанной угле | бромид лития в диоксиде серы с небольшим количеством ацетонитрила | 2,85 В | 3,0 В | 250 | 400 |
Жидкий катод. Может работать при температурах от -55 ° C до +70 ° C. Содержит жидкий SO 2 при высоком давлении. Требуется предохранительный клапан, в некоторых условиях может взорваться. Высокая плотность энергии. Высокая цена. При низких температурах и больших токах работает лучше, чем Li-MnO 2. Токсично. Ацетонитрил образует цианид лития и может образовывать цианистый водород при высоких температурах. Используется в военных целях.. Добавление монохлорида брома может повысить напряжение до 3,9 В и увеличить плотность энергии. | ||||||
Li-I 2 | Йод, смешанный и нагревают с поли-2-винилпиридином (P2VP) с образованием твердого органического комплекса с переносом заряда. | Твердый мономолекулярный слой кристаллического иодида лития, который проводит ионы лития от анода к катоду, но не проводит йод. | 2,8 В | 3,1 В | ||
Твердый электролит. Очень высокая надежность и низкая скорость саморазряда. Используется в медицинских приложениях, требующих длительного срока службы, например кардиостимуляторы. Не выделяет газ даже при коротком замыкании. Твердотельная химия, ограниченный ток короткого замыкания, подходит только для слаботочных приложений. Напряжение на клеммах уменьшается со степенью разряда из-за осаждения йодида лития. | ||||||
Li-Ag 2 CrO 4 | хромата серебра | раствора перхлората лития | 3,1 / 2,6 В | 3,45 В | ||
Очень высокая надежность. Имеет плато 2,6 В после достижения определенного процента разряда, обеспечивает раннее предупреждение о надвигающемся разряде. Разработано специально для медицинских приложений, например, для имплантированных кардиостимуляторов. | ||||||
Li-Ag 2V4O11, Li-SVO, Li-CSVO | оксид серебра + пятиокись ванадия (SVO) | гексафторфосфат лития или в пропиленкарбонат с диметоксиэтаном | ||||
Используется в медицинских целях, таких как имплантируемые дефибрилляторы, нейростимуляторы и системы инфузии лекарств. Также спроектирован для использования в другой электронике, такой как передатчики аварийного локатора. Высокая плотность энергии. Длительный срок хранения. Возможность непрерывной работы при номинальной температуре 37 ° C. Двухступенчатый разряд с плато. Выходное напряжение уменьшается пропорционально степени разряда. Устойчив к злоупотреблениям. | ||||||
Li-CuO. (код IEC: G),. «GR» | оксид меди (II) | перхлорат лития, растворенный в диоксолане | 1,5 В | 2,4 В | ||
Может работать при температуре до 150 ° C. Разработан для замены угольно-цинковых и щелочных батарей. Проблема с повышением напряжения, большая разница между напряжением холостого хода и номинальным напряжением. Производился до середины 1990-х годов, заменен на сульфид лития и железа. Текущее использование ограничено. | ||||||
Li-Cu 4 O (PO 4)2 | ||||||
См. Li-CuO | ||||||
Li-CuS | Сульфид меди | металлический литий | 1,5 В | соль лития или соль, такая как хлорид тетралкиламмония, растворенный в LiClO 4 в органическом растворителе, который представляет собой смесь 1,2-диметоксиэтана, 1,3-диоксолана и 2,5-диметилоксазола, как стабилизатор | ||
Li-PbCuS | сульфид свинца и сульфид меди | 1,5 В | 2,2 В | |||
Li-FeS | сульфид железа | пропилен карбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1,5–1,2 В | |||
«Литий-железный», «Li / Fe». Используется для замены щелочных батарей. См. Дисульфид лития-железа. | ||||||
Li-Bi 2Pb2O5 | Висмутат свинца | 1,5 В | 1,8 В | |||
Замена батарей с оксидом серебра на более высокая плотность энергии, меньшая склонность к утечке и лучшие характеристики при более высоких температурах. | ||||||
Li-Bi 2O3 | Триоксид висмута | 1,5 В | 2,04 В | |||
Li-V 2O5 | Ванадий пентоксид | 3,3 / 2,4 В | 3,4 В | 120/260 | 300/660 | |
Два плато разряда. Низкое давление. Перезаряжаемый. Используется в резервных батареях. | ||||||
Li-CuCl 2 | хлорид меди | LiAlCl 4 или LiGaCl 4 в SO 2, жидком, неорганическом, неорганическом -водный электролит. | ||||
Перезаряжаемый. Эта ячейка имеет три плато напряжения при разряде (3,3 В, 2,9 В и 2,5 В). Разряд ниже первого плато сокращает срок службы элемента. Комплексная соль, растворенная в SO 2, имеет более низкое давление пара при комнатной температуре, чем чистый диоксид серы, что делает конструкцию более простой и безопасной, чем батареи Li-SO 2.. | ||||||
Li / Al-MnO 2, "ML" | Диоксид марганца | 3 В | ||||
Перезаряжаемый. Анод - это литий-алюминиевый сплав. В основном продается Maxell. | ||||||
Li / Al-V 2O5, "VL" | Пятиокись ванадия | 3 В | ||||
Аккумуляторная. Анод выполнен из сплава Li-Al. | ||||||
Li-Se | Селен | неводные карбонатные электролиты | 1,9 В | |||
Li-air (Литий-воздушный аккумулятор ) | Пористый углерод | Органическое, водное, стеклокерамическое (полимер-керамические композиты) | 1800–660 | 1600–600 | ||
Перезаряжаемый. По состоянию на 2012 год коммерческое внедрение отсутствует. из-за трудностей в достижении нескольких циклов разряда без потери емкости. Существует несколько возможных реализаций, каждая из которых имеет разную энергоемкость, преимущества и недостатки. В ноябре 2015 года группа исследователей Кембриджского университета продолжила работу над литий-ионами. воздушные батареи, разработав процесс зарядки, способный продлить срок службы батареи и эффективность батареи. В результате их работы была получена батарея с высокой плотностью энергии, эффективностью более 90%, которую можно было перезаряжать до 2000 раз. Литий-воздушные батареи описываются как "совершенные" батареи, потому что они предлагают высокую теоретическую энергию d до десяти раз больше энергии, чем у обычных литий-ионных батарей. Впервые они были разработаны в исследовательской среде Abraham Jiang в 1996 году. Однако по состоянию на ноябрь 2015 года технология не будет сразу доступна ни в одной отрасли, и для оснащения устройств литий-воздушными батареями может потребоваться до 10 лет. Непосредственная проблема, стоящая перед учеными, участвовавшими в его изобретении, заключается в том, что для значительного повышения эффективности батареи требуется специальный пористый графеновый электрод, а также другие химические компоненты и узкий промежуток между зарядом и разрядом. | ||||||
Li-FePO 4. | Литий-фосфат железа | этиленкарбонат - диметилкарбонат (EC – DMC) 1–1 перхлорат лития (LiClO. 4) 1M | 3,0 ~ 3,2 В | 3,2 В | 90-160 | 325 Вт · ч / л (1200 кДж / л) |
Удельная емкость LiFePO. 4выше, чем у соответствующего химического состава оксида лития-кобальта (LiCoO. 2), но его удельная энергия меньше из-за более низкого рабочего напряжения. Главный недостаток LiFePO. 4- низкая электропроводность. Из-за низкой стоимости, низкой токсичности, четко определенных характеристик, долгосрочной стабильности и т. Д. LiFePO. 4находит множество ролей в использовании транспортных средств, стационарных приложениях коммунальных масштабов и резервного питания. |
. Калифорнийский университет в Сан-Диего разработал химический состав электролита, который позволяет литиевым батареям работать при температурах до -60 °. Электролиты также позволяют электрохимическим конденсаторам работать до -80 ° C. Предыдущий нижний предел температуры -40 ° C. Сохраняется высокая производительность при комнатной температуре. Это может повысить плотность энергии и безопасность литиевых батарей и электрохимических конденсаторов.
Литиевые батареи находят применение во многих долговечных критических устройствах, таких как кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства. В этих устройствах используются специализированные литий-йодистые батареи, рассчитанные на срок службы 15 и более лет. Но для других, менее важных приложений, таких как игрушки, литиевая батарея может действительно прослужить дольше устройства. В таких случаях дорогая литиевая батарея может быть нерентабельной.
Литиевые батареи можно использовать вместо обычных щелочных элементов во многих устройствах, таких как часы и камеры. Хотя они более дорогие, литиевые элементы обеспечивают гораздо более длительный срок службы, тем самым сводя к минимуму замену батарей. Однако следует обратить внимание на более высокое напряжение, развиваемое литиевыми элементами, прежде чем использовать их в качестве замены в устройствах, которые обычно используют обычные цинковые элементы.
Литиевые батареи также полезны в океанографических приложениях. Хотя литиевые аккумуляторные батареи значительно дороже стандартных океанографических аккумуляторных батарей, их емкость в три раза превышает емкость щелочных аккумуляторов. Высокая стоимость обслуживания удаленных океанографических приборов (обычно на судах) часто оправдывает эту более высокую стоимость.
Маленькие литиевые батареи очень часто используются в небольших портативных электронных устройствах, таких как КПК, часы, видеокамеры, цифровые фотоаппараты, термометры, калькуляторы и т. Д. BIOS (прошивка) персонального компьютера, коммуникационное оборудование и удаленные автомобильные замки. Они доступны во многих формах и размерах, наиболее распространенным из которых является марганец типа «монета» на 3 вольта, обычно диаметром 20 мм и толщиной 1,6–4 мм.
Высокие электрические требования многих из этих устройств делают литиевые батареи особенно привлекательным вариантом. В частности, литиевые батареи могут легко поддерживать кратковременные высокие требования к току таких устройств, как цифровые камеры, и они поддерживают более высокое напряжение в течение более длительного периода, чем щелочные элементы.
Литиевые первичные батареи составляют 28% всех продаж первичных батарей в Японии, но только 1% всех продаж батарей в Швейцарии. В ЕС только 0,5% всех продаж аккумуляторов, включая вторичные типы, составляют первичные литиевые.
Стремление компьютерной индустрии к увеличению емкости аккумуляторов позволяет проверить пределы чувствительных компонентов, таких как мембранный сепаратор, полиэтиленовая или полипропиленовая пленка толщиной всего 20–25 мкм. Плотность энергии литиевых батарей увеличилась более чем вдвое с момента их появления в 1991 году. Когда батарея сделана так, чтобы она содержала больше материала, сепаратор может подвергаться нагрузке.
Литиевые батареи могут обеспечивать очень высокие токи и могут очень быстро разряжаться при коротком замыкании. Хотя это полезно в приложениях, где требуются большие токи, слишком быстрая разрядка литиевой батареи - особенно если в конструкции элементов присутствует кобальт - может привести к перегреву батареи (что снижает электрическое сопротивление любого содержания кобальта внутри ячейки), разрыву и даже взрыву. Литий-тионилхлоридные батареи особенно подвержены этому типу разряда. Бытовые аккумуляторы обычно имеют защиту от перегрузки по току или тепловую защиту или вентиляционные отверстия для предотвращения взрыва как часть системы управления батареями.
С 1 января 2013 года были введены гораздо более строгие правила. IATA в отношении воздушных перевозок литиевых батарей. Они были приняты Международным почтовым союзом; однако некоторые страны, например Великобритания, решили, что они не будут принимать литиевые батареи, если они не включены в оборудование, которое они питают.
Из-за вышеупомянутых рисков транспортировка и перевозка литиевых батарей в некоторых случаях ограничена, в частности, транспортировка литиевых батарей по воздуху.
Администрация транспортной безопасности США объявила об ограничениях с 1 января 2008 г. на использование литиевых батарей в зарегистрированном и ручном багаже. Правила запрещают перевозку литиевых батарей, не установленных в устройстве, из зарегистрированного багажа и ограничивают их в ручной клади по общему содержанию лития.
Почта Австралии запрещает перевозку литиевых батарей авиапочтой в течение 2010 г..
Правила Великобритании по транспортировке литиевых батарей были изменены Национальным химическим центром по чрезвычайным ситуациям в 2009 году.
В конце 2009 года по крайней мере некоторые почтовые администрации ограничили доставку авиапочтой (включая Express Mail Service ) литиевых батарей, литий-ионных батарей и продуктов, содержащих их (например, ноутбуков и сотовых телефонов). Среди этих стран: Гонконг, США и Япония.
Неиспользованные литиевые батареи являются удобным источником металлического лития для использования в качестве восстановитель в метамфетаминовых лабораториях. В частности, металлический литий восстанавливает псевдоэфедрин и эфедрин до метамфетамин в методе восстановления березы, в котором используются растворы щелочных металлов, растворенных в безводных аммиак..
Некоторые юрисдикции приняли законы, ограничивающие продажу литиевых батарей, или попросили предприятия ввести добровольные ограничения в попытке ограничить создание нелегальных лабораторий по метамфетамину. В 2004 году магазины Wal-Mart ограничили продажу одноразовых литиевых батарей тремя упаковками в Миссури и четырьмя упаковками в других штатах.
Кнопочный элемент батарейки привлекательны для маленьких детей и часто проглатываются. За последние 20 лет, хотя общее количество батареек, потребляемых в течение года, не увеличивалось, исследователи отметили 6,7-кратное увеличение риска того, что проглатывание приведет к умеренным или серьезным осложнениям и 12,5 раза. -кратное увеличение количества смертельных случаев по сравнению с прошлым десятилетием с предыдущим.
Основным механизмом травм при проглатывании батарейки-пуговицы является образование гидроксида ионов, которые вызывают сильные химические ожоги анода. Это электрохимический эффект неповрежденной батареи, который не требует вскрытия корпуса или высвобождения содержимого. Осложнения включают стриктуры пищевода, трахео-пищеводные свищи, паралич голосовых связок, аорто-пищеводные свищи и смерть. Большинство проглатываний не наблюдаются; презентации не являются конкретными; увеличилось напряжение аккумулятора; батарея-пуговица размером от 20 до 25 мм с большей вероятностью застрянет в области крикофарингеального перехода; и серьезное повреждение тканей может произойти в течение 2 часов. Литиевая батарея CR2032 3 В, 20 мм была причастна ко многим осложнениям, связанным с проглатыванием кнопочной батареи детьми младше 4 лет.
В то время как единственное лекарство от закупорки пищевода - эндоскопическое лечение. Удаление, исследование 2018 года из Детской больницы Филадельфии, проведенное Рэйчел Р. Анфанг и его коллегами, показало, что раннее и частое употребление меда или суспензии сукральфата перед извлечением батареи может значительно снизить тяжесть травмы. В результате Национальный центр по борьбе с отравлениями в столице США (США) рекомендует использовать мед и сукральфат после известных или предполагаемых приемов пищи, чтобы снизить риск и серьезность повреждения пищевода и, следовательно, его близлежащих структур.
Батарейки-пуговицы также могут вызвать серьезные некротические повреждения, если они застрянут в носу или ушах. Профилактические усилия Национальной целевой группы по кнопочным батареям в США в сотрудничестве с лидерами отрасли привели к изменениям в упаковке и конструкции батарейного отсека в электронных устройствах, чтобы ограничить доступ детей к этим батареям. Тем не менее, население и медицинское сообщество по-прежнему недостаточно осведомлены о его опасностях. Госпитальный фонд Центрального Манчестерского университета предупреждает, что «многие врачи не знают, что это может нанести вред».
Правила утилизации и переработки батарей сильно различаются; местные органы власти могут иметь дополнительные требования по сравнению с национальными постановлениями. В Соединенных Штатах один производитель литий-железо-дисульфидных первичных батарей сообщает, что потребительские количества использованных элементов могут быть выброшены вместе с бытовыми отходами, поскольку батарея не содержит никаких веществ, контролируемых федеральными правилами США. Другой производитель заявляет, что литиевые батареи размера «таблетка» содержат перхлорат, который в Калифорнии считается опасным отходом; регулируемые количества не могут быть обнаружены при типичном использовании этих элементов потребителями.
Поскольку литий в используемых, но неработающих кнопочных элементах (т. е. с увеличенным хранением) все еще может находиться в катодной чашке, его можно извлечь коммерчески полезные количества металла из таких ячеек, а также диоксида марганца и специальных пластмасс. Исходя из эксперимента, обычный режим отказа заключается в том, что они будут показывать 3,2 В или выше, но не смогут генерировать полезный ток (<5 mA versus>40 мА для хорошего нового элемента). Некоторые также легируют литий с магнием (Mg), чтобы сократить расходы, и это особенно подвержен упомянутому режиму отказа.
Почему я должен инвестировать в литиевую батарею сегодня?
Батареи с литиевым анодом называются литиевыми батареями. Заряд перемещается от анода к катоду во время разряда и от катода к аноду во время заряда. Литиевые батареи были представлены еще в 1980–1990-х годах. Эти батареи полностью изменили рынок портативной электроники, такой как сотовые телефоны и портативные компьютеры. Сегодня литиевые батареи находят все более широкое применение на рынках электроники, электромобилей и солнечных батарей. Благодаря своему легкому весу, высокой плотности энергии и эффективности, литиевые батареи используются в широком спектре портативных бытовых электронных устройств, медицинского оборудования, устройств резервного питания, солнечных батарей и электромобилей.