Литиевая батарея

Материал из wikixw
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эта статья посвящена одноразовым литиевым батареям. Его не следует путать с Литий-ионный аккумулятор .

Литиевые батареи являются основными батареями, которые имеют металлический литий в качестве анода . Эти типы батарей также называются литий-металлическими батареями.

Они стоят отдельно от других батарей в их высокой плотности обязанности (длинной жизни) и высокой цене в блок. В зависимости от конструкции и используемых химических соединений, литиевые элементы могут производить напряжение от 1,5 в (сравнимо с цинк–углеродной или щелочной батареей ) до примерно 3,7 В.

Одноразовые первичные литиевые батареи должны отличаться от вторичных литий-ионных или литий-полимерных [1], которые являются перезаряжаемыми батареями. Литий особенно полезен, потому что его ионы могут быть расположены для перемещения между анодом и катодом , используя интеркалированное соединение лития в качестве материала катода, но без использования металлического лития в качестве материала анода. Чистый литий будет мгновенно реагировать с водой или даже влагой в воздухе; литий в литий-ионных батареях находится в менее реактивном соединении.

Литиевые батареи широко используются в портативных потребительских электронных устройствах, а также в электрических транспортных средствах, начиная от полноразмерных транспортных средств до радиоуправляемых игрушек. Термин "литиевая батарея" относится к семейству различных химических соединений литий-металл, состоящему из многих типов катодов и электролитов, но все они имеют металлический литий в качестве анода. Батарея требует от 0.15 до 0.3 kg лития в kWh. По своей конструкции эти первичные системы используют заряженный катод, который является электроактивным материалом с кристаллографическими вакансиями, которые заполняются постепенно во время разряда.

Наиболее распространенный тип литиевых элементов, используемых в потребительских приложениях, использует металлический литий в качестве анода и диоксид марганца в качестве катода, причем соль лития растворена в органическом растворителе .

Схема литиевой кнопочной аккумуляторной батареи с MnO 2 (диоксид марганца) на катоде.

История[править]

Основная статья: История батареи

Химия[править]

Химия Катод Электролит Номинальное напряжение Напряжение тока открытой цепи Ч/кг Ч/Л
Li-MnO 2

(код IEC: C), " CR"

Термообработанный диоксид марганца Перхлорат лития в органическом растворителе (пропиленкарбонат и диметоксиэтан во многих распространенных ячейках 3 в 3.3 В 280 580
Li - (CF) x

(код IEC: B), " BR"

Монофторид углерода Тетрафторборат лития в пропиленкарбонате, диметоксиэтане или гамма-бутиролактоне 3 в 3.1 V 360–500 1000
Li-FeS 2

(код IEC: F), " FR"

Дисульфид железа Пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан 1.4-1.6 в 1.8 в 297 T
Li-SOCl 2

(код IEC: E)

Хлористый тионил Тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде 3.5 в 3.65 V 500–700 1200
Li-SOCl 2, BrCl, Li-BCX

(код IEC: E)

Тионилхлорид c хлоридом брома Тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде 3.7-3.8 В 3.9 V 350 770
Li-SO2Cl2 Сульфурилхлорид T 3.7 В 3.95 V 330 720
Li-SO2 Диоксид серы на углероде, склеенном тефлоном Бромид лития в диоксиде серы с небольшим количеством ацетонитрила 2.85 в 3.0 V 250 400
Li-I2 Йод, который был смешан и нагрет с Поли-2-винилпиридином (P2VP) для образования твердого органического комплекса переноса заряда. Твердый мономолекулярный слой кристаллического иодида лития, который проводит ионы лития от анода к катоду, но не проводит йод 2.8 в 3.1 V Т Т
Li-Ag2CrO4 Хроматное серебро Раствор перхлората лития 3.1 / 2.6 в 3.45 V Т Т
Li-Ag 2 V 4 O 11, Li-SVO, Li-CSVO Оксид серебра + пятиокись ванадия (SVO) гексафторфосфат лития или гексафтороарсенат лития в пропиленкарбонате c диметоксиэтаном Т Т Т Т
Li-CuO

(код IEC: G), " GR"

Оксид меди (II) Перхлорат лития, растворенный в диоксолане 1.5 в 2.4 в Т Т
Li-Cu 4 O (PO 4 ) 2 Оксифосфат меди Смотрите Li-CuO Т Т Т Т
Ли-Ку Сульфид меди Металлический литий 1.5 в литиевая соль или соль, такая как хлорид тетраалкиламмония, растворенная в LiClO 4 в органическом растворителе, представляющем собой смесь 1,2-диметокси этана, 1,3-диоксолана и 2,5-диметилоксазола в качестве стабилизатора Т Т
Li-PbCuS Сульфид свинца и сульфид меди Т 1.5 в 2.2 в Т Т
Li-FeS Сульфид железа Пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан 1.5-1.2 В Т Т Т
Li-Bi2Pb2O5 Висмут свинца Т 1.5 в 1.8 в Т Т
Li-Bi2O3 Триоксид висмута Т 1.5 в 2.04 в Т Т
Li-V2O5 Пятиокись ванадия Т 3.3 / 2.4 в 3.4 в 120/260 300/660
Li-CuCl2 Хлорид меди LiAlCl 4 или LiGaCl 4 в SO 2, жидком, неорганическом, неводном электролите. Т Т Т Т
Li/Al-MnO 2, " ML" Двуокись марганца T 3 V Т Т Т
Li / Al-V 2 O 5, " VL" Пятиокись ванадия Т 3 в Т Т Т
Li-Se Селен неводные карбонатные электролиты 1.9 В. Т Т Т
Текст ячейки Пористый углерод Органические, водные, стеклокерамические (полимерно-керамические композиты) Т Т 1600–600 1600–600
Химия Примечание
Li-MnO 2

(код IEC: C), " CR"

"Li-Mn". Самая общая батарея лития едок-степени, около 80% из рынка батареи лития. Использует недорогие материалы. Соответствующий для низко-стока, длинной жизни, недорогих применений. Высокая плотность энергии как на массу, так и на объем. Рабочая температура колеблется от -30 °C до 60 °C. может подавать высокие импульсные токи.[5] с разрядкой, внутреннее сопротивление поднимает и терминальное напряжение тока уменьшает. Высокая саморазрядность при высоких температурах. 1,2-диметоксиэтан является веществом-кандидатом REACH, вызывающим очень высокую озабоченность .
Li - (CF) x

(код IEC: B), " BR"

Катодный материал, образованный высокотемпературной интеркаляцией газа фтора в графитовый порошок. По сравнению с диоксидом марганца (CR), который имеет такое же номинальное напряжение, он обеспечивает большую надежность.[5] использованный для низкого уровня для того чтобы умерить настоящие применения в батареях памяти и часов резервных. Используется в аэрокосмических приложениях, квалифицируется для космоса с 1976 года, военного применения как на суше, так и на море, в ракетах и в искусственных кардиостимуляторах . работает до около 80 °C. очень низкое саморазряжение (<0.5% / год на 60 °C, Разработан в 1970-х годах компанией Matsushita
Li-FeS 2

(код IEC: F), " FR"

"Литий-железо", "Li/Fe". Вызванный" вольт-совместимый " литий, потому что он может работать как замена для батарей щелочных аккумуляторов со своим номинальным напряжением 1.5 В. Таким образом, литиевые элементы Energizer размера AA [8] и AAA используют эту химию. 2,5 раза более высокая продолжительность жизни для сильнотокового режима разрядки чем батареи щелочных аккумуляторов, более лучший срок хранения должный к более низкому саморазряж, 10-20 лет срока хранения. FeS 2-это дешево. Катод часто выполнен в виде пасты из порошка сульфида железа, смешанного с порошкообразным графитом. Вариант-Li-CuFeS 2 .
Li-SOCl 2

(код IEC: E)

Жидкий катод. Для применений низкой температуры. Смогите работать вниз к -55 °C, где оно сохраняет над 50% из своей расклассифицированной емкости. Незначительное количество газа, образующегося при номинальном использовании, ограниченное количество при злоупотреблении. Имеет относительно высокий внутренний импеданс и ограниченный ток короткого замыкания. Плотность высокой энергии, около 500 Wh / kg. Токсический. Электролит вступает в реакцию с водой. Низкоточные ячейки используются для резервного копирования портативной электроники и памяти. Сильноточные ячейки используются в военных целях. При длительном хранении образует пассивирующий слой на аноде, который может привести к временной задержке напряжения тока положенный в обслуживание. Высокая стоимость и проблемы безопасности ограничивают использование в гражданских приложениях. Может взорваться при коротком замыкании. Страховщикам лабораторий требуется обученный техник для замены этих аккумуляторов. Опасные отходы, класс 9 Hazmat отгрузки.[9]не используется для потребительских или универсальных батарей.
Li-SOCl 2, BrCl, Li-BCX

(код IEC: E)

Жидкий катод. Вариант батареи хлористого тионила, с напряжением тока 300 mV более высоким. Более высокое напряжение тока падает назад до 3.5 V как только хлорид брома получает уничтоженным во время первых 10-20% из разрядки. Клетки с добавленным хлоридом брома считаются более безопасными при злоупотреблении.
Li-SO2Cl2 Жидкий катод. Похож на хлористый тионил. Разрядка не приводит к накоплению элементарной серы, которая, как полагают, участвует в некоторых опасных реакциях, поэтому сульфурилхлоридные батареи могут быть более безопасными. Коммерческое внедрение затруднено из-за склонности электролита к коррозии литиевых анодов, что сокращает срок годности. Хлор добавляется в некоторые клетки, чтобы сделать их более устойчивыми к злоупотреблениям. Сульфурилхлоридные ячейки дают меньший максимальный ток, чем тионилхлоридные, за счет поляризации углеродного катода. Сульфурилхлорид бурно реагирует с водой, выделяя хлористый водород и серную кислоту
Li-SO2 Жидкий катод. Может работать до -55 °C и до +70 ° C. содержит жидкость SO 2 при высоком давлении. Требует сброса безопасности, может взорваться в некоторых условиях. Высокая плотность энергии. Высокая стоимость. При низких температурах и больших токах, работает лучше, чем Li-MnO 2 . Токсический. Ацетонитрил образует цианид лития, а также может образовывать цианистый водород при высоких температурах.[11] используется в военных целях.

Добавление монохлорида брома может повысить напряжение до 3,9 В и увеличить плотность энергии.

Li-I2 Твердый электролит. Очень высокая надежность и низкий тариф саморазряжения. Использованный в медицинских применениях которым нужна длинная жизнь, например ритмоводителях. Не производит газ даже под коротким замыканием. Твердотельная химия, ограниченный ток короткого замыкания, подходит только для слаботочных применений. Терминальное напряжение тока уменьшает с степенью разрядки должной к высыпанию иодида лития .
Li-Ag2CrO4 Очень высокая надежность. Имеет плато 2.6 в после достижения определенного процента разрядки, обеспечивает раннее предупреждение о предстоящем разряде. Разработан специально для медицинских применений, например, имплантированных кардиостимуляторов.
Li-Ag 2 V 4 O 11, Li-SVO, Li-CSVO Использованный в медицинских применениях, как имплантируемые дефибрилляторы, нейростимуляторы, и системы вливания лекарства. Также запроектировано для пользы в другой электронике, как аварийные передатчики локатора . Высокая плотность энергии. Длительный срок хранения. Способный к непрерывной работе при номинальной температуре 37 °C. двухступенчатый разряд с плато. Выходное напряжение уменьшается пропорционально степени разряда. Устойчив к злоупотреблениям.
Li-CuO

(код IEC: G), " GR"

Смогите привестись в действие до 150 °C. превращенный как замена батарей цинк–углерода и щелочных аккумуляторов. "Напряжение тока вверх по" проблеме, высокой разнице между открыт-цепью и номинальным напряжением. Производится до середины 1990–х годов, заменяется на сульфид лития-железа. Текущее использование ограничено.
Li-FeS "Литий-железо", "Li/Fe". использованный как замена для батарей щелочных аккумуляторов . См. дисульфид лития-железа.
Li-Bi2Pb2O5 Замена батарей серебр-окиси, с более высокой плотностью энергии, более низкой тенденцией протекать, и более лучшее представление на более высоких температурах.
Li-V2O5 Две разгрузочные площадки. Пониженное давление. Перезаряжаемый. Используется в резервных батареях .
Li-CuCl2 Перезаряжаемый. Эта клетка имеет 3 Плато напряжения тока по мере того как она discharges (3.3 V, 2.9 V и 2.5 V).[16] разрядка ниже первого плато уменьшает жизнь клетки.[16] 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" Перезаряжаемый. Анод представляет собой литий-алюминиевый сплав.[19] [18] в основном продается компанией Maxell
Li / Al-V 2 O 5, " VL" Перезаряжаемый. Анод представляет собой сплав Li-Al
Li-air (литий–воздушная батарея) Перезаряжаемый. По состоянию на 2012 год не существует коммерческого внедрения из-за трудностей в достижении нескольких циклов разгрузки без потери мощности.[23] существует множество возможных реализаций, каждая из которых имеет различные энергетические мощности, преимущества и недостатки. В ноябре 2015 года команда Кембриджского университета исследователи продолжили работу над литий-воздушными батареями, разработав процесс зарядки, способный продлить срок службы батареи и повысить ее эффективность. Результатом их работы стала батарея, которая обеспечивала высокую плотность энергии, более 90% КПД и могла заряжаться до 2000 раз. Литий-воздушные батареи описываются как" типичные " батареи, потому что они предлагают высокую теоретическую плотность энергии до десяти раз энергии, предлагаемой обычными литий-ионными батареями. Они были впервые разработаны в исследовательской среде Abraham & Jiang в 1996 году.[24] Технология, однако, по состоянию на ноябрь 2015 года, не будет сразу доступна в любой отрасли промышленности, и это может занять до 10 лет для литий-воздушных батарей для оснащения устройств.[25] непосредственная проблема, стоящая перед учеными, участвующими в его изобретении, заключается в том, что батарея нуждается в специальном пористом графеновом электроде, среди других химических компонентов, и узком промежутке напряжения между зарядом и разрядом, чтобы значительно повысить эффективность.

Жидкий органический электролит представляет собой раствор ионообразующего неорганического соединения лития в смеси растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью ( пропиленкарбонат ) и растворителя с низкой вязкостью ( диметоксиэтан ).

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали прорыв в области химии электролитов, который позволяет литиевым батареям работать при температурах до -60 °C с отличной производительностью. Новые электролиты также позволяют электрохимическим конденсаторам работать как низко как -80 °C-их настоящий низкотемпературный предел -40 °C. Пока технология включает весьма низкотемпературную деятельность, высокая эффективность на комнатной температуре все еще поддержана. Новая электролитная химия также может повысить плотность энергии и повысить безопасность литиевых батарей и электрохимических конденсаторов.

Приложения[править]

Литиевые батареи находят применение во многих долгосрочных, критически важных устройствах, таких как кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства. Эти устройства используют специализированные литий-иодидные батареи, рассчитанные на 15 и более лет. Но для других, менее важных приложений , таких как игрушки, литиевая батарея может фактически пережить устройство. В таких случаях дорогостоящая литиевая батарея может оказаться не рентабельной.

Литиевые батареи могут использоваться вместо обычных щелочных элементов во многих устройствах, таких как часы и камеры . Хотя они являются более дорогостоящими, литиевые элементы обеспечат гораздо более длительный срок службы, тем самым сводя к минимуму замену батареи. Однако следует обратить внимание на более высокое напряжение, создаваемое литиевыми ячейками, прежде чем использовать их в качестве капельной замены в устройствах, которые обычно используют обычные цинковые ячейки.

Литиевые батареи также доказывают свою ценность в океанографических приложениях . В то время как литиевые батареи значительно дороже стандартных океанографических пакетов, они выдерживают до трех раз емкость щелочных пакетов. Высокая стоимость обслуживания удаленных океанографических приборов (обычно на судах) часто оправдывает эту более высокую стоимость. Размеры и форматы Смотрите также: ячейка кнопки, номенклатура батарей и список размеров батарей

Небольшие литиевые батареи очень часто используются в небольших портативных электронных устройствах , таких как КПК, часы, видеокамеры, цифровые фотоаппараты, термометры, калькуляторы, персональный компьютер BIOS (прошивка), [27] коммуникационное оборудование и удаленные Автомобильные замки. Они доступны в много формах и размеров, с общим разнообразием быть типом разнообразием 3 Вольтов "монетки" марганца, типично 20 mm в диаметре и 1.6–4 mm толщиной.

Тяжелые электрические требования многих из этих устройств делают литиевые батареи особенно привлекательным вариантом. В частности, литиевые батареи могут легко поддерживать кратковременные, сильноточные требования таких устройств , как цифровые камеры, и они поддерживают более высокое напряжение в течение более длительного периода, чем щелочные элементы. Популярность

Литиевые первичные батареи составляют 28% от всех продаж первичных батарей в Японии, но только 1% от всех продаж батарей в Швейцарии. В ЕС только 0,5% от всех продаж батарей, включая вторичные типы, являются литиевыми праймериз.[28] [29] [30] [31] [ сомнительно -обсудить] Вопросы безопасности и регулирования

Привод компьютерной индустрии для увеличения емкости батареи может проверить пределы чувствительных компонентов, таких как мембранный сепаратор, полиэтиленовая или полипропиленовая пленка толщиной всего 20-25 мкм. Плотность энергии литиевых батарей более чем удвоилась с тех пор, как они были введены в 1991 году. Когда батарея сделана для того чтобы содержать больше материала, сепаратор может пройти усилие. Проблемы быстрого разряда

Литиевые батареи могут обеспечивать чрезвычайно высокие токи и могут очень быстро разряжаться при коротком замыкании. Хотя это полезно в применениях где большие токи необходимы, слишком-быстрая разрядка батареи лития может привести к в перегревать батареи, повреждения, и даже взрыва. Литий-тионилхлоридные батареи особенно восприимчивы к этому типу разрядки. Потребительские батареи обычно включают в себя перегрузки по току или тепловую защиту или вентиляционные отверстия для предотвращения взрыва. Авиаперелет Смотрите также: Boeing 787 Dreamliner проблемы с батареей

С 1 января 2013 года ИАТА ввела гораздо более жесткие правила в отношении перевозки литиевых батарей воздушным транспортом. 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 приводят в действие.

Из-за вышеуказанных рисков перевозка и перевозка литиевых батарей в некоторых ситуациях ограничена, в частности перевозка литиевых батарей воздушным транспортом.

Управление транспортной безопасности Соединенных Штатов объявило о введении с 1 января 2008 года ограничений на литиевые батареи в зарегистрированном и ручном багаже. Правила запрещают использование литиевых батарей, не установленных в устройстве, в зарегистрированном багаже и ограничивают их количество в ручной клади по общему содержанию лития.[32]

Australia Post запретила перевозку литиевых батарей в воздушной почте в течение 2010 года.[33]

В 2009 году Национальный центр по чрезвычайным химическим ситуациям внес поправки в правила перевозки литиевых батарей в Великобритании.[34]

В конце 2009 года, по крайней мере, некоторые почтовые администрации ограничили отправку авиапочтой (в том числе экспресс-почтой ) литиевых батарей, литий-ионных батарей и продуктов, содержащих их (таких как ноутбуки и сотовые телефоны). Среди этих стран-Гонконг, Соединенные Штаты и Япония.[35][36][37] Метамфетаминовые лаборатории

Неиспользуемые литиевые батареи обеспечивают удобный источник металлического лития для использования в качестве восстановителя в метамфетаминовых лабораториях. Некоторые юрисдикции приняли законы об ограничении продаж литиевых батарей или попросили предприятия ввести добровольные ограничения в попытке помочь обуздать создание незаконных лабораторий по производству метамфетаминов . В 2004 году сообщалось, что магазины Wal-Mart ограничили продажу одноразовых литиевых батарей тремя упаковками в штате Миссури и четырьмя упаковками в других штатах.[38] Проблемы со здоровьем при приеме внутрь

Батареи клетки кнопки привлекательны к малым детям и часто заглатываемы. За последние 20 лет, хотя и не было отмечено увеличения общего количества батарей с кнопочными батареями, употребляемых в течение года, исследователи отметили 6,7-кратное увеличение риска того, что прием внутрь приведет к умеренному или серьезному осложнению, и 12,5-кратное увеличение числа смертельных случаев по сравнению с предыдущим десятилетием.[39][40]

Основным механизмом повреждения при попадании в аккумуляторную батарею кнопки является образование гидроксидных ионов, которые вызывают сильные химические ожоги, на аноде.[41] это электрохимический эффект неповрежденной батареи, и не требует, чтобы корпус был нарушен или содержимое высвобождалось.[41] осложнения включают стриктуры пищевода , трахео-пищеводные свищи , паралич голосовых связок, аорто-пищеводные свищи и смерть.[42] Большинство поглощений не наблюдается; презентации неспецифичны; напряжение батареи увеличилось; размер кнопки 20 до 25 мм, скорее всего, будет находиться в крикофарингеальном соединении; и тяжелое повреждение тканей может произойти в течение 2 часов. 3 в, 20 мм CR2032 литиевая батарея была вовлечена во многие осложнения от кнопки батареи ingestions детьми в возрасте менее 4 лет.[43] В то время как единственным лекарством от пищеводного импакта является эндоскопическое удаление, исследование 2018 года из детской больницы Филадельфии Рэйчел Р. Анфанг и ее коллеги обнаружили, что раннее и частое употребление меда или суспензии сукральфата перед извлечением батареи может значительно снизить тяжесть травмы.[40] в результате, базирующийся в США Национальный столичный ядовитый центр (Poison Control) рекомендует использовать мед и сукральфат после известных или предполагаемых приемов для снижения риска и тяжести повреждения пищевода и, следовательно, его близлежащих структур.[44] батарейки с кнопками также могут вызвать значительную некротическую травму при застревании в носу или ушах.[45] Профилактические мероприятия в США, проводимые Национальной целевой группой по батареям Button в сотрудничестве с лидерами отрасли, привели к изменениям в упаковке и дизайне аккумуляторных отсеков в электронных устройствах для уменьшения доступа ребенка к этим батареям.[46] однако по-прежнему существует недостаточная информированность населения в целом и медицинского сообщества о его опасностях. Central Manchester University Hospital Trust предупреждает, что "многие врачи не знают, что это может причинить вред".[47] Утилизация

Правила утилизации и рециркуляции батарей широко варьируются; местные органы власти могут иметь дополнительные требования по сравнению с национальными правилами. В Соединенных Штатах один из производителей литий-железных дисульфидных первичных батарей сообщает, что потребительские количества использованных элементов могут быть выброшены в коммунальные отходы, поскольку батарея не содержит никаких веществ, контролируемых федеральными правилами США.[48] другой изготовитель заявляет, что литиевые батареи размера" button " содержат перхлорат, который регулируется как опасные отходы в Калифорнии; регулируемые количества не будут найдены в типичном потребительском использовании этих клеток.[49]

Поскольку литий в бывших в употреблении, но не работающих (т. е. находящихся в длительном хранении) кнопочных ячейках по-прежнему, вероятно, находится в катодной чашке, из таких ячеек можно извлекать коммерчески полезные количества металла, а также диоксид марганца и специальные пластмассы. Из эксперимента обычный режим отказа заключается в том, что они будут читать 3,2 В или выше, но не смогут генерировать полезный ток (<5 мА против >40 мА для хорошей новой ячейки) Некоторые также сплавляют литий с магнием (Mg) для того чтобы отрезать цены и эти в частности прональны к упомянутому режиму отказа.

Смотрите также[править]

Пруф[править]

Источник — https://wikixw.ru/index.php?title=Литиевая_батарея&oldid=78664