Introducere
În ultimul deceniu a existat un interes crescut pentru surse primare de energie cu densitate mare de energie, care sunt capabile de a oferi impulsuri de curent mare pentru aplicaţii cum ar fi:
• repartitoare de căldură
• dispozitive GPS de urmărire
• alarme wireless
• sisteme de apel de urgenţă
• defibrilatoare portabile
• diverse tipuri de transpondere
Mai multe sisteme electrochimice sunt utilizate în prezent pentru acest tip de aplicaţii. Cu toate acestea, nici una dintre acestea nu sunt optimizate pentru cerinţele aplicatiei:
• tipul de baterie “bobină” Li/SOCl2 are cea mai mare densitate de energie şi cea mai mică rată de descărcare, dar nu poate livra nivelul de putere dorit. Celulele din acest sistem nu au capacitate mare de putere, de a livra impulsuri şi nu sunt suficient de sigure pentru aceste aplicaţii.
Un alt avantaj al celulelor de tip “bobină” în comparaţie cu bateriile obişnuite este durata mare de funcţionare. Sistemul Li/SO2 are cea mai bună capabilitate de curent în special la temperaturi scăzute, cu toate acestea, rata de auto-descărcare a celulei Li/SO2 în timp, la curent redus, este relativ ridicată. În plus, celula de SO2 este sub presiune ceea ce reduce siguranţa celulelor şi limitează utilizarea acesteia.
• tehnologia Li/MnO2 Li şi CFX prezintă o densitate de energie şi capacitate de putere moderată. Cu toate acestea, la temperatură scăzută capacitatea de putere este relativ scăzută.
În consecinţă, aceste sisteme nu sunt indicate pentru aplicaţiile menţionate, datorită cerinţelor de energie sau putere.
Acum câţiva ani, TADIRAN Baterii Ltd. a dezvoltat o nouă sursă de alimentare (bateriile Pulses Plus), capabile să ofere densitate mare de energie la putere mare. Bateria Pulses Plus are rata de autodescărcare foarte scăzută un domeniu larg de temperaturi de funcţionare. Această sursă de energie combină tehnologia “bobină” Li/SOCl2 cu celula de tip condensator cu strat hibrid (HLC). Caracteristicile electrice şi de siguranţă ale acestui sistem au fost descrise mai sus. Scopul acestui document este acela de a prezenta în continuare caracteristicile acestui sistem.
Experiment
Celulele bateriei de tip Li/SOCl2 utilizate pentru asamblarea bateriilor PulsesPlus sunt celule de litiu standard TADIRAN. HLC folosit este de două tipuri: HLC – 14200 pentru modele de dimensiuni mici şi HLC – 14500 pentru modele de dimensiuni mari. Ambele sunt închise ermetic şi construcţia lor a fost descrisă anterior.
Testele de autodescărcare au fost efectuate cu ajutorul unui sistem de achiziţie de date Tadiran; testele de încărcare-descărcare HLC au fost efectuate pe Maccor 4000 tester. Studiul ratei de autodescărcare a bateriilor HLC, Li/SOCl2 şi Pulses Plus au fost efectuate folosind testele de autodescărcare pe termen lung, măsurători microcalorimetrice şi determinarea cantitativă de litiu rezidual în celulele de Li/SOCl2.
Rezultate şi discuţii
Puterea furnizată
Figura 1 descrie curba tensiune-timp a unei baterii HLC-14500 descărcată la curenţi constanţi de 1.0A, 2.0A, 3.5A şi 5,0A la 2,8 Volţi tensiune de cutt off. Capacitatea totală livrată de către HLC la 5A este cca 75% din capacitatea livrată la 1,0A.
Figura 2 descrie autodescărcarea unei baterii PulsesPlus de dimensiuni AA Li-SO2Cl2 şi HLC-14500 la pulsuri de curent de 10A cu durata de 1 sec. la fiecare 10 secunde. Tensiunea minimă la începutul testului este de 2.85V. Tensiunea minimă creşte la 2.95V în termen de 10 minute. Uşoara creştere a tensiunii minime în timp, la 10A impulsuri este atribuită creşterii de temperatură a bateriei ca rezultat al creşterii curentului de descărcare şi a pasivizării anodului. Rezultatele prezentate în figurile 1 şi 2 indică în mod clar faptul că bateria PulsesPlus poate funcţiona la putere relativ mare.
Capacitatea şi energia celulei
Testele de descărcare cu pulsuri de curent efectuate pe bateriile Pulses Plus indică faptul că aceste baterii pot menţine tensiunea şi la curenţi mari, atâta timp cât tensiunea de circuit deschis a bateriei înainte de aplicarea sarcinii este destul de mare pentru a efectua descărcarea. Testele de descărcare efectuate pe celule AA şi HLC-14200 arată că bateria poate livra 17496 impulsuri de 500mA pentru durata de 1 secundă fiecare.
Intervalul de timp dintre impulsuri este de 500 secunde şi tensiunea minimă este de 2.80V.
Capacitatea netă de descărcare este de 2430mAh. Această valoare este de aproximativ 95% din capacitatea disponibilă cunoscută pentru o celulă AA.
Figura 3 descrie un test de descărcare pe termen lung a unei baterii de mărimea AA Li/SOCl2 şi HLC-14500 descărcată sub sarcină constantă de 33kOhm (curent mediu de aproximativ 110μA) şi 1 sec. puls de 500mA o dată pe săptămână. Capacitatea de 2.19Ah a fost obţinută după 27 luni de impulsuri continue şi curent de descărcare menţionat.
HLC-urile de dimensiuni mici au fost supuse la cicluri încărcare/descărcare la curent constant de 110/50mA. Paşii de încărcare au fost încheiaţi fie la 3.67 Volţi fie la 3,9 Volţi. Descărcarea a fost încheiată la 3.0V, în ambele cazuri.
Capacitatea de descărcare faţă de numărul de cicluri este prezentată în figura 4. Ambele teste nu s-au încheiat încă.
La o încărcare de 3.67V, HLC livrează (până la pregătirea acestei lucrări) 6100 impulsuri de aproximativ 10mAh fiecare. La o încărcare de 3.90V HLC livrează (până la pregătirea acestui document) aproximativ 1200 de cicluri de 100mAh fiecare.
Capacitatea totală acumulată este de 51Ah şi 98Ah pentru 3.67V şi, respectiv, 3.90V.
Din acest test rezultă ca un singur HLC de dimensiuni mici poate livra impulsuri pentru întreaga durată de viaţă a unei celule TADIRAN dintre cele mai mari (38Ah pentru celula de dimensiune DD Li/SOCl2).
Caracteristici de temperatură
Figura 5 descrie tensiunea minimă în timpul unei descărcări de 500mA pe secundă la diferite temperaturi. Bateriile conţin celule de dimensiune AA Li/SOCl2 AA şi HLC mari.
Bateria asigură un curent de fond de 20μA şi măsurătorile au fost făcute o dată pe săptămână.
Figura 6 descrie curba de descărcare la 125°C, pentru o baterie Li/SOCl2 DD şi HLC-14200.
Bateria a fost descărcată la pulsuri de curent de aproximativ 350mA şi 1.4 secunde pentru fiecare 5 secunde (curent mediu 100mA).
Tensiunea minimă în timpul vârfului de curent şi tensiunea maximă obţinută în condiţii OCV sunt prezentate în grafic.
Bateria livrează o capacitate totală de 22,5 Ah la 3,0 Volt.
Studiul duratei de viaţă a bateriei
Una dintre cele mai importante caracteristici ale unei baterii pentru aplicaţii pe termen lung este nivelul de autodescărcare. Mai multe tehnici au fost folosite pentru a evalua rata de auto-descărcare a bateriei PulsesPlus.
Figura 7 descrie măsurătorile microcalorimetrice în condiţiile OCV ale unei baterii Pulses Plus de dimensiune AA Li/SOCl2 şi un HLC de dimensiuni mici. În grafic este reprezentată şi căldura disipată de baterie şi HLC.
După cum se poate observa, căldura disipată de baterie este suma căldurii disipate de HLC şi celula primară. Acest lucru indică faptul că, în starea de echilibru cantitatea de căldură, dacă există, este schimbată între celulă şi HLC.
Potenţialul termic pentru reacţia chimică a HLC nu este cunoscut, prin urmare s-a estimat rata de autodescărcare din disiparea căldurii şi tensiunii în circuit deschis a bateriei presupunând că nu sunt variaţii de entropie.
În plus, căldura disipată de HLC este aproximativ un sfert din căldura disipată de baterie. Acest lucru indică faptul că rata de descărcare HLC este foarte scăzută în condiţiile de testare.
Tabelul 1 descrie rata de autodescărcare a unei baterii PulsesPlus model AA Li/SOCl2 şi HLC de dimensiuni mici. Diferenţa dintre capacitatea de descărcare a bateriei PulsesPlus şi celula primară indică faptul că, sub un curent de descărcare de 110μA bateria a pierdut aproximativ 7,0% din capacitatea sa, 2% se datorează HLC şi 5% din cauza celulei Li-SOCl2.
Pentru informaţii suplimentare vizitaţi: www.roccas.ro
– va urma –