Eldobható lítiumelemek
A telepes táplálású elektronikai eszközök számára megfelelő eldobható elem kiválasztásához mind a tervezőnek, mind a felhasználónak tisztában kell lenni a technikai lehetőségekkel.

 

A piacon kapható egyszer használatos (primer) elemek nemcsak fizikai méretükben, de kémiai rendszerüket tekintve is sokfélék lehetnek. A régi szén-cink elemeket felváltották a széles körben használatos alkáli elemek, ma pedig előszeretettel használja az ipar a lítiumelemeket, melyek tartósabbak, jobban terhelhetők, könyebbek a hétköznapi eldobható elemeknél. Cikkünk segít eligazodni a tervezőmérnököknek az egyes változatok között a világ egyik vezető primer elemgyártója, az EVE Battery kínálatának bemutatásával.

Lítium technológia – eldobható és tölthető elemek

Az elem egy olyan energiatároló és átalakító rendszer, mely kémiai reakció útján képes töltést létrehozni, azaz a kémiai energiát villamos energiává alakítani. Ebben a mini reaktorban – 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 résztvevő anyag elfogy, az elem lemerül, és cserére szorul. 

Az elemtechnika fejlődése során a lítium, mint a legkisebb sűrűségű, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal és legjobb energiatárolóképesség/tömeg hányadossal rendelkező fém alkalmazhatósága került előtérbe.  A szakirodalom a lítium vagy lítium-fém elemeken a fém lítium adóddal rendelkező primer (eldobható) elemeket érti, ami nem keverendő össze az újratölthető lítium-ion elemekkel.

Lítium–fém primer elemek általános jellemzői

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 A névleges feszültség az elem elsődleges jellemzésére referenciaként szolgál, a valóságban azonban meg kell különböztetni az úgynevezett nyitott állapotú OCV (Open Circuit Voltage) és a terhelés alatti CCV (Closed Circuit Voltage) értéket. Az a feszültség, ahol az elem teljesen kisültnek tekinthető az ún. letörési, vagy Cut-Off feszültség.

Passziváció A passziváció a primer lítiumelemekre jellemző fizikai jelenség, mely a fém lítium anód 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. Normál körülmények közt a vékony réteg nem csökkenti a telep használhatóságát, azonban ha az rossz tárolási körülmények miatt nagyon megvastagszik, akkor problémát jelenthet a terhelés rákapcsolásakor. Hosszú, hónapokig vagy évekig tartósan szobahőmérséklet felett tárolt lítium elemekben a passzivációs réteg nagyon megvastagodhat, ami a terhelés megjelenésekor késleltetést okozhat az elvárt  kimeneti feszültség  megjelenésében.

Míg kis áramterhetéskor 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, azonban számos más módszerrel is javíthatunk a passziváció okozta problémákon, például folyamatos alacsony terhelésen való tartással, vagy intelligens pogramozott indítással is.

Nem szabad azonban a passzívációt káros jelenségnek tartani, hiszen ez biztosítja a lítium elemek kivételesen hosszú tárolhatóságát. A későbbiekben részletesebben foglalkozunk a LiMnO2 elemekkel, melyeknél a passziváció még hosszú ideig való tároláskor és rövid ideig tartó magas hőmérsékletnek való kitételkor 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 vagy spirális vagy úgynevezett „Bobbin” struktúrájúak. Előbbiek mag köré  spirálisan tekercselt nagyfelületű fémlapot használnak a nagy áramok  eléréséhez, míg a Bobbin cellák fém lítiumból készült hengerből és cérnaterecsre hasonlító belső elektódából állnak.

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%-al magasabb, mint az azonos méretű spirális celláknak. Ezért az alkalmazástól függően, ahol pillanatszerű nagy áramerősségre van szükség, ott a spirális cellák kerülnek előtérbe, ahol a kapacitás a lényegesebb, ott a Bobbin cella alkalmazható eredményesebben.

Megjegyzendő, hogy a spirális cella a nagy áramimpulzus leadási képessége miatt külső fizikai behatás esetén veszélyesebb, és bár az EVE speciális biztonsági szelepei a komoly problémákat megakadályozzák, az ilyen elemekből épült nagyenergiájú csomagok használata helyett inkább bobbin elemek és nagy impulzusáramot biztosítani képes SPC eszközök együttes használata javasolt. A spirális cellák másik előnyös tulajdonsága, hogy a feszültségkésleltésük kisebb, mint a Bobbin struktúrájú társaiké. Az SPC-vel épített elemcsomagok ezt a problémát is kiküszöbölik, mert az energia az SPC-ből késleltetés nélkül kerül a rendszerbe.

A cikk teljes terjedelemben a Jövő Gyára decemberi számában olvasható.

Űrtechnológiai központ épül Martonvásáron
A Remred Kft. 10 milliárd forintos befektetésből felépülő technológiai központja komplett kisműholdak és az azokat működtető rendszerek gyártását, összeszerelését, integrációját és tesztelését végzik majd.
Egy megfogó, amely többre képes, mint gondolná
Az új PGL-plus-P egy rugalmas és robusztus megfogó, amelyet mindenekelőtt a megnövelt biztonsági szint emel a versenytársak fölé. A pneumatikus megfogó az első a világon, amelynek a biztonságos szorítóerő-fenntartó rendszere is tanúsított.
Így lehet sikeres a digitális átállás az iparvállalatoknál
Az ipari vállalkozások 94 százaléka szerint a digitális átalakulás nagy hatással lesz a működésükre a következő 2-3 évben, ugyanakkor 55 százalékuk még mindig csak részben felkészült a hatékony digitalizációra.
Új kiberbiztonsági megoldás ipari infrastruktúrák védelmére
Az ABB Ability Cyber Security Workplace (CSWP) megoldása úgy fokozza a kritikus ipari infrastruktúra védelmét, hogy az ABB-től és a harmadik féltől származó biztonsági megoldásokat egyetlen egyszerű, átfogó digitális platformba vonja össze.
Az átláthatatlan vállalati informatika az innovációt is akadályozza
A verseny által kikényszerített folyamatos költségcsökkentési spirál, a munkaerőhiány pótlására fejlesztett informatikai megoldások és robotizáció, valamint a technológia fejlődése mind a digitalizáció irányába hat.