Характеристики литиевых элементов

Разрядные кривые.Характерная особенность первичных литиевых элементов − это практически плоская разрядная кривая, т. е. разряд литиевых элементов происходит при практически постоянном напряжении почти до выработки всей емкости. Выход от НРЦ на разрядное напряжение может занимать несколько минут. Разница между НРЦ и напряжением разряда особенно велика для элементов системыLi-CuO и может достигать нескольких десятых вольта, а при разряде очень большими токами − почти 1 В (рисунок 5).

В то же время на разрядных кривых элементов этой системы, и особенно, элементов системы Li-SOCl₂ в самом начале разряда наблюдается характерный «провал напряжения» (рисунок 6). Этот «провал» проявляется после длительного хранения элементов и при пониженных температурах. Причиной провала напряжения тионилхлоридных элементов служит нарастание на поверхности литиевого анода относительно толстой, плотной и плохо проводящей пассивной пленки, состоящей в основном из хлорида лития. В самом начале разряда таких запассивированных элементов литий вытравливается из-под пленки, пленка разрушается и отслаивается.

Снижение температуры разряда всегда приводит к снижению разрядного напряжения и уменьшению разрядной емкости особенно при разряде большими токами.

Рис. 5. Типичные разрядные кривые системы Li-CuO фирмы SAFT при температуре 20ºC

1 − 2,4 кОм; 1,5 мА; 1,75 А∙ч; 2 − 18 кОм; 200 мкА; 1,9 А∙ч

Рис. 6. Разрядные кривые элемента TL- 5104 системы Li-SOCl₂ фирмы Tadiran при температуре 25ºC

Вольт-амперная характеристика для элемента литий-диоксид марганца показана на рисунке 7.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика элемента CR 2430 фирмы

«GP Batteries» при температуре 20ºC

Сохраняемость.Литиевые элементы отличаются малыми скоростями саморазряда, т. е. хорошей сохраняемостью. Наилучшую сохраняемость имеют элементы системы литий-йод, у которых потеря емкости за счет саморазряда не превышает 10% за 10 лет хранения при температурах до 40ºC [6]. Потеря емкости при саморазряде элементов других систем составляет 0,5−3% в год. Срок хранения таких элементов составляет не менее 5 лет, а часто и не менее 15 лет.

Удельные характеристики. Максимальные значения удельной энергии достигаются на элементах системы литий-тионилхлорид (Li-SOCl₂) и составляют более 600 Вт∙ч/кг и более 1100 Вт∙ч/дм³. Удельная энергия других литиевых элементов находится в пределах 200−350 Вт∙ч/кг и 500−600 Вт∙ч/дм³ [8]. Наибольшую удельную мощность имеют сильнотоковые элементы: для элементов системы литий-диоксид серы (Li-SO₂) − 100 Вт/кг и 200 Вт/дм³, для Li-SOCl₂ элементов − 50 Вт/кг и 70 Вт/дм³. Удельная мощность элементов с органическими электролитами и твердыми катодами на порядок меньше. Самую низкую удельную мощность имеют элементы с твердым электролитом (элементы системы литий-йод), рассчитанные на работу в течение 10 и более лет. При удельной энергии около 1000 Вт∙ч/кг такой срок разряда соответствует удельной мощности около 0,01 Вт/кг [1].

Утилизация ЛХИТ.

Необходимость утилизации отработанных источников тока с литиевым анодом обусловлена рядом факторов. ЛХИТ − высокоэнергетические системы с высокой объемной плотностью энергии, поэтому они более опасны при вскрытии, чем традиционные системы. Применяемый в качестве анода литий является легковоспламеняемым металлом; используемые высокоактивные электродные и конструкционные материалы представляют собой сильные окислительные многокомпонентные системы, способные взаимодействовать между собой со взрывом; применяемый в качестве сепаратора нетканый полипропилен является горючим материалом; электролиты на основе органических растворителей легко воспламеняемы. Некоторые вещества, используемые в батареях и элементах, кроме пожаро- и взрывоопасности обладают еще и токсичными свойствами; в результате их горения образуются соединения в виде газов и аэрозолей, которые также токсичны [10].

Вопросы утилизации целесообразно решать уже на стадии разработки изделий, что позволит принимать конструктивные и технологические решения, необходимые для эффективной переработки использованных ЛХИТ.

В Московском государственном институте стали и сплавов разработана технология переработки ЛХИТ [10].

Основные стадии переработки ЛХИТ.

1. Первичная переработка выработавших ресурс ЛХИТ, литийсодержащих отходов их производства и бракованных изделий, включает вскрытие элементов, утилизацию газообразных и летучих соединений; гидрометаллургическую переработку анодных материалов и электролитов с получением двух литиевых соединений: карбоната лития (Li₂СО₃) и гидроксодиалюмината лития (Li₂О∙2Аl₂O₃∙11Н₂О) − ГОДАЛа.

2. Синтез пятилитиевого алюмината (Li₅AlO₄) из карбоната лития и ГОДАЛа.

3. Алюминотермическое получение лития в вакууме восстановлением Li₅AlO₄.

Данная технологическая схема позволяет не только обезвредить наиболее экологически опасные компоненты ЛХИТ, но и вернуть в производство ряд ценных материалов − литий, никель, титан, коррозионно-стойкую сталь и т. п. Основные стадии переработки ЛХИТ приведены на рисунке 8 [9].

Рис. 8. − Технология переработки ЛХИТ

Варианты заданий к лабораторной работе

Вариант1. Определите электрические характеристики (НРЦ, U, R_внутр) малогабаритных марганцево-литиевых элементов различной емкости. Рассчитайте теоретическую удельную энергию ЛХИТ. Проанализируйте влияние токовой нагрузки на разрядное напряжение.

Вариант 2. Сравните электрические характеристики марганцево-литиевого элемента с параметрами ХИТ на основе водных электролитов: марганцево-цинкового или воздушно-цинкового. Проанализируйте причины высоких электрических характеристик ЛХИТ.

Лабораторная работа №4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: