magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Endrich lidAz IoT világában az egyik legnagyobb tervezési kihívás a villamos hálózattól független működésű elektronikai érzékelő- és kommunikációs eszközök számára megfelelő paraméterekkel rendelkező
(pl. kellően nagy pillanatnyi áram leadására képes) és hosszú élettartamú táplálás tervezésének a kérdése.

 

 

Általában ezen a területen a lítiumelemek alkalmazása kerül előtérbe. Ahhoz, hogy az adott alkalmazáshoz legjobban illeszkedő elemet válasszuk, tisztában kell lennünk a technológia sajátosságaival. Könnyebb a dolgunk, ha az eszköz újratölthető akkumulátorral szerelt, ilyenkor a gyártó által biztosított töltővel biztonságosan és megfelelő ideig működtethetjük a készüléket. Ha azonban fontos a villamos hálózattól független működés, akkor eldobható elemre van szükség, és a tervezőnek ismernie kell a különböző kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkező termékeket. A piacon az egyszer használatos (primer) elemek változatos méretekben kaphatók, kémiai rendszerüket tekintve is sokfélék. A régi szén-cink elemeket felváltották a széles körben használatos alkáli elemek, ma pedig előszeretettel használja az ipar a lítiumelemeket, amelyek tartósabbak, jobban terhelhetők, könnyebbek a hétköznapi eldobható elemeknél. Cikkünk segít eligazodni a tervezőmérnököknek ezen utóbbi technológia elemei között.

 

Lítiumtechnológia – eldobható és tölthető elemek
Az elem egy energiatároló és átalakító rendszer, amely kémiai reakció útján képes töltést létrehozni, a kémiai energiát villamos energiává alakítani. Ebben a minireaktorban – annak áramkörbe kapcsolásakor – lejátszódó kémiai reakció szabad elektronokat hoz létre. A telep kisülése során a szabad elektronok katód felé áramlása az a villamos áram, amelyet az anód és katód közé kapcsolt külső áramkör táplálásához használhatunk fel. Ha a kisülés után a kémiai reakció nem visszafordítható, illetve ha valamelyik a reakcióban résztvevő anyag elfogy, az elem lemerül, és cserére szorul, akkor eldobható telepről beszélünk. Ha külső töltőáram felhasználásával a töltés visszaállítható, akkor tölthető (szekunder) elemről beszélünk.
Az elemtechnika fejlődése során a lítium – mint a legkisebb sűrűségű, a legnagyobb elektrokémiai potenciállal és legjobb energiatároló-képesség/tömeg hányadossal rendelkező fém – alkalmazhatósága került előtérbe. A szakirodalom a „lítium vagy lítium-fém elemeken” a fém lítiumanóddal rendelkező primer elemeket érti, ami nem keverendő össze az újratölthető „lítiumion” elemekkel. Ez utóbbiak anódja nem fém lítium, hanem grafit, katódja pedig lítiumkombinációja valamilyen átmeneti fém (nikkel, kobalt, mangán, vas) -oxiddal és 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 feszültség hatására a Li+ ionok visszaáramolva interkalálódnak az anód porózus grafitanyagába, és a rendszer energiatermelésre kész.
A hagyományos újratölthető Li-ion elemek mellett a 90-es évek vége felé megjelentek a folyékony elektrolitot szilárd polimer vegyületekkel helyettesítő Li-Poly elemek, amelyek 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.

 

A 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, amelyet a kisütési áram értékének (A) a kisülésig eltelt idő (h) szorzatával definiálunk: C = I (A) * t (h)

Telepfeszültség
Többféle különböző feszültség definíciójára van szükség az elemek jellemzéséhez. 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.

 

Endrich 1

1. ábra OCV és CCV feszültségek értelmezése

 

 

Passziváció
A passziváció a primer lítiumelemekre jellemző fizikai jelenség – 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, aminek 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 lítiumelemekben a passzivációs réteg nagyon megvastagodhat, ami a terhelés megjelenésekor késleltetést okozhat az elvárt kimeneti feszültség megjelenésében. 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 körülmény 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 programozott indítással is.
A passzíváció nem káros jelenség, hiszen ez biztosítja a lítiumelemek kivételesen hosszú tárolhatóságát. A későbbiekben részletesebben foglalkozunk a Li-MnO2 elemekkel, ahol 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.

 

Endrich 2

2. ábra Passziváció: feszültségkésleltetés különböző kisülési áramok esetén

 

 

Belső felépítés
A primer Li elemek belső felépítéséről is kell szólni néhány szót, mert a struktúra jelentős viselkedésbeli eltéréseket eredményez. A hengeres Li-SOCl2 elemek általában vagy spirális vagy úgynevezett „Bobbin” struktúrájúak.
Az előbbiek mag köré spirálisan tekercselt nagy felületű fémlapot használnak a nagy áramok eléréséhez, míg a Bobbin cellák fém lítiumból készült hengerből és cérnatekercsre hasonlító belső elektródából 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%-kal 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. A spirális cella a nagy áramimpulzus leadási képessége miatt külső fizikai behatás esetén veszélyesebb, és bár a nagynevű gyártók általában jelenlévő biztonsági szelepei a komoly problémákat megakadályozzák, az ilyen elemekből épült nagy energiájú csomagok használata helyett inkább Bobbin elemek és nagy impulzusáramot biztosítani képes SPC (super pulse capacitor) 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.

 

Endrich 3

3. ábra A spirális és Bobbin cellák belső felépítésének összehasonlítása különböző kisülési áramok esetén

 

 

Cikkszámszabványok
Az elemgyártók követik a vonatkozó szabványokat, így viszonylag könnyű dolga van a fejlesztőknek a termékek összevetésekor. A teljes kép kedvéért bemutatjuk ezeket az elnevezési szabályokat is. A primer (eldobható) elemek elsődlegesen kémiai rendszerük alapján kerülnek megkülönböztetésre:

 

Endrich tabla 1

 

A cellákat formájuk és méretük alapján is elkülönítjük a cikkszám második betűjétől kezdődően:

 

Endrich tabla 2

 

Endrich tabla 3

 

Az eldobható primer elemtípusok közül a következőket tekintjük részletesen át:

  • Li-SOCl2 – Lítium-thyonil-klorid ERxx/EFxx
  • Li-MnO2 – Lítium-mangán-dioxid CRxx/CFxx
  • Li-FeS2 – Lítium-vas-diszulfid AA/AAA
  • Nagy hőmérsékletű elemek – Li-SOCl2
  • Implantátumelemek Li-SOCl2 kémiai rendszer, rozsdamentes acél- vagy titániumházban
  • SPC elemek

Li-SOCl2 – Lítium-thyonil-klorid „ER” elemek
Kémiai rendszerét tekintve ez az elemcsalád egy porózus (szén) és SOCl2 keverékéből álló folyékony katódból és fém lítiumanódból áll. A kisülés során bekövetkező kémiai reakció a következő:

4Li + 2SOCl2 → SO2 + S + 4LiCl

A lítium-thyonil-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.

 

Endrich tabla 4

 

½ AA mérettől D (góliát) méretig elérhetők, és ez a család rendelkezik a legnagyobb energiasűrűséggel (1280 Wh/dm3) az eldobható elemek között. Működési hőmérséklet-tartománya -55 oC…+85 oC, de létezik speciálisan kialakított 150 oC kiterjesztett üzemi hőmérséklet-tartománnyal rendelkező változata is. A család önkisülése extrém alacsony, 20 oC-on kevesebb, mint 1%, 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 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 4. ábrán egy Bobbin struktúrájú (ER17505) és egy spirális (ER17505M) elem feszültség-hőmérséklet karakterisztikái hasonlíthatóak össze különböző terhelőáramok mellett.

 

Endrich 4

4. ábra A külső hőmérséklet hatása a viselkedésre

 


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 típusoknak.
Az ER elemek korábban említett rozsdamentes acéltokozású, extrém rázkódás és mechanikai sokkálló, kiterjesztett hőmérséklet-tartományú változata (ER14250MR-150) kiválóan alkalmazható az olajfúrás szenzorainak tápellátására.

 

Endrich 5

5. ábra ER elemek változatos formában

 

 

Az ER elemek alkalmazásai:

  • Áram- és gázmérők, fogyasztásmérők
  • Autóipari telematika
  • GPS, RFID aklalmazások
  • Biztonságtechnikai berendezések
  • Professzionális elektronika
  • Olajfúrás

Endrich tabla 5

 

Li-MnO2 – 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 + Mn(IV)O2 –> Mn(III)O2 (Li+)

A lítium Li+ ionná alakulása során elektronok szabadulnak fel, ezek zárt áramkörben elektromos áramként való szabad áramlása biztosítja a kémiai energia villamos energiává alakulását. A CR elemek cellafeszültsége 3 V (OCV = 3,1…3,4 V CCV = 3,0 V), működési hőmérséklet-tartománya pedig -40 oC…+85 oC hengeres típusok esetén, gombelemeknél pedig -20 oC…+70 oC. Az autóiparban előszeretettel használják a kiterjesztett hőmérséklet-tartományú -40 oC…+125 oC változatokat, elsősorban TPMS (keréknyomás-ellenőr) rendszerekben. Bár a CR cella energiasűrűsége elmarad az ER családoknál szokásos értékektől, számos előnyös tulajdonságuk van ezeknek az elemeknek, például nincs szükség semmilyen védőáramkörre, és a folyékony katódos rendszerektől eltérően a passziváció sem okoz problémát. Mivel nem tartalmaz kadmiumot, ólmot, higanyt környezetbarát megoldást jelent. Önkisülése 20 oC-on kisebb, mint 1%, ezért rendkívül hosszú ideig, akár 10 évig is tárolható megfelelő körülmények között. Leginkább akkor javasolt a használata, ha kis méretű, vékony, könnyű elemre van szükség viszonylag kis terhelésre. A hengeres kialakítású és gombelemváltozatok mellett létezik az EVE kínálatában 9 V-os elem is, amely 3 db 3 V-os cella sorba kapcsolásával és egybe tokozásával készül.

 

Endrich 6

6. ábra CR elemek változatos formában

 

 

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, villamos energiamérők)
  • RFID
  • ETC (electric toll collect), TPMS

Lítium-vas-diszulfid (Li-FeS2) eldobható elemek
A hengeres Li-FeS2 anódja lítium, katódja vas-szulfid, és elektrolitként szerves oldószerben oldott lítiumsó szolgál. 1,5 V-os telepfeszültsége kompatibilissá teszi minden AA és AAA eldobható elemmel, azonban használata a hagyományos elemekkel szemben számos előnnyel jár, mint például az extrém kis hőmérsékleten való alkalmazhatóság, a 15 év szobahőmérsékleten való tárolás utáni működőképesség és a hosszabb élettartam.

 

Endrich 7

7. ábra FR elemek AA és AAA méretben

 

 

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 oC) 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 oC-ig) való tárolhatóság, mint más eldobható elemeknél
  • Kisebb tömeg
  • Nem tartalmaz higanyt, kadmiumot és ólmot

Endrich tabla 6

 

A 8. ábrán AA alkáli és Li-FeS2 elem kapacitásának összevetése látható többféle terhelőárammal végzett folyamatos terhelés mellett 20 oC hőmérsékleten 0,9 V CutOff feszültség eléréséig. Megfigyelhető, hogy nagy áramú kisütés esetén az alkáli elemek üzemideje messze alatta marad a lítiumváltozat üzemidejének. Kisebb terhelőáramok esetén az eltérés kevésbé jelentős, de ott is jelen van.

 

Endrich 8

8. ábra FR elemek összehasonlítása alkáli elemekkel többféle kisütő áram mellett

 


A 9. 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 sokkal hoszabb ideig üzemképesek a terheléstől függetlenül, míg nagy árammal való terhelés esetén az alkáli elemek üzemideje messze alatta marad a lítiumváltozat üzemidejének, normál és magasabb hőmérsékleten is. Kis terhelőáramok esetén az eltérés szobahőmérsékleten és magas hőmérsékleten kevésbé jelentős, de ott is jelen van.

 

Endrich 9

9. ábra FR elemek összehasonlítása alkáli elemekkel eltérő környezeti hőmérsékleten

 

 

Felhasználási terület:

  • Vezetéknélküli egér, billentyűzet
  • Orvoselektronikai készülékek
  • Elektronikus szótárak
  • Mérőműszerek
  • Rádió adóvevők
  • Digitális kamerák
  • GPS
  • Számológépek
  • Elektronikus órák
  • Szenzorok

SPC eszköz
Hasonló eszközökkel számos gyártó lépett piacra. Itt az EVE Energy Inc. által tervezett és gyártott szuperimpulzus-kondenzátorok (SPC) bemutatásával beszélünk ezekről a széles hőmérséklet-tartományban (-40 °C…+85 °C) nagy töltésmennyiség impulzusszerű kisütésére képes, viszonylag kis kapacitású „elemekről”. Ezek az eszközök az EVE Energy saját szabadalmai által védett egyedi szerkezettel készülnek, elektrokémiai működési elven. Hermetikusan zárt kivitelük, kis tömegük és biztonságos felépítésük miatt olyan helyeken is kiválóan használhatók, ahol hagyományos szuperkondenzátorok esetleg nem. Ilyen terület például a gázfogyasztásmérés, ahol az ATEX minősítést megkönnyítő SPC kiváló megoldás lehet, a beépített biztonsági szelepnek köszönhetően az eszköz robbanásbiztos. A tápfeszültsége 3,6 V, a spirális felépítésű Li-ion elemeknél jelentkező passziváció itt nem jelentkezik. Az önkisülése évi 2% alatt marad, ezzel rendkívül sokáig képes bármikor a készenléti állapotból kilépve aktiválódni és nagy energiamennyiséget impulzusszerűen a táplált áramkörbe pumpálni.
Amennyiben egy intelligens mérőórában csak egy ER lítiumelem található, a passziváció gondot okozhat, ilyen esetben a mérőóra adatkiolvasó áramköre hibásan működhet, lefagyhat, és az adatkiolvasás meghiúsul. Ezen segíthet a passzivációmentes SPC és a lítiumelem együttes használata.

 

Endrich 10

10. ábra SPC és ER elem kombinációjával készült elemcsomag

 

 

Kombinált megoldás: EVE ES energiatároló rendszerek
Az EVE SPC természetesen önálló eszköz, azonban a gyakorlatban inkább eldobható (primer) lítiumcellákkal kombinálva használatosak, amelyek az SPC folyamatos töltéséről gondoskodnak. Az EVE ES kombinált eszköz egy SPC és egy lítium-thionyl-klorid ( Li-SOCl2) párhuzamos kapcsolásával létrehozott termék.
Természetesen más elrendezések is alkalmazhatók, mint például a 11. ábrán lévők:

 

Endrich 11

11. ábra ER + SPC variációk

 


Az SPC és a Li-SOCl2 technológia társításával ötvözhetjük a két eszköz előnyeit, az SPC passzivációtól mentes mivolta biztosítja a szükség esetén gyorsan rendelkezésre álló impulzusformában leadott energiamennyiséget, míg a lítium primer elem gondoskodik az SPC töltéséről a háttérben készenléti üzemmódban.

 

Endrich 12

12. ábra ER + SPC elemcsomag

 


Ezt az elrendezést összehasonlítva egy primer lítiumelem és egy hagyományos szuperkondenzátor kombinációjával a következő előnyöket élvezhetjük:

  • Nagyobb feszültség (3,6 V vs max. 2,7 V)
  • Sokkal kisebb impedancia (<150 mOhm vs kb. 400 mOhm)
  • Nagyobb kapacitás (>270 F vs max. 100 F)
  • Sokkal nagyobb energiasűrűség
  • Nagyságrenddel kisebb és hőmérséklettől alig függő szivárgási áram (<1 uA)
  • Sokkal szélesebb működési hőmérséklet-tartomány
  • Sokkal hosszabb (kb. 15 év) élettartam
  • Biztonságosabb kivitel (UL1642 UN 38,3)

A 13. ábrán látható, hogy az SPC gyors kisülése kiküszöböli a Li-SOCl2 elem passzivációjából származó késleltetett aktiválódást, és a telepfeszültség sosincs az üzemi feszültség szintje alatt. A mérést 10 mA folyamatos terhetőáram mellett egy ER14250 lítiumelem és egy SPC1520 összekapcsolásával létrehozott EVE ES energiatárolón végezték.

 

Endrich 13

13. ábra ER + SPC kiküszöböli a passziváció káros hatását

 

 

Endrich 14

14. ábra ER + SPC szivárgási árama

 


Mérésekkel igazolható, hogy az EVE kombinált elemcsomag szivárgási áramának mértéke -30 oC esetén 2 uA alatt, +25 oC esetén 1 uA alatt és +85 oC esetén is 5 uA alatt marad, tehát a hőmérséklettől függetlenül stabilan alacsony. Élettartama elérheti a 10-15 évet, maximálisan 1 A impulzusáram leadására képes, megbízható konstrukciója miatt és biztonságosan alkalmazható. A kombinált eszköz sikeresen biztosítja mind a nagy energiasűrűség-igény, mind a nagy teljesítménysűrűség-igény kiszolgálását.

 

Endrich KissZSzerző: Kiss Zoltánokl. villamosmérnök,
Export Igazgató Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

 

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: hungary@endrich.com
www.endrich.com