Aktualności

Siedem pułapek pasywacji ogniw litowych

Artykuły, 01 września, 2023

Nieładowalne Baterie Litowe

Ogniwa litowe są zdecydowanie najlepszym źródłem zasilania dla nowoczesnych urządzeń pomiarowych, IoT oraz profesjonalnej elektroniki. Prawidłowo dobrane ogniwa zapewniają stabilne napięcie, najdłuższą żywotność i niezawodność przez wiele lat pracy. 

Wamtechnik Sp. z o.o. oferuje Klientom produkty najlepszych na świecie dostawców ogniw w technologiach litowych jak SAFT Francja, Panasonic Japonia, Maxell Japonia, i in.

Dobór ogniwa litowego do danego urządzenia jest kluczowy.

Należy bardzo dokładnie przeanalizować profil pracy urządzenia, zarówno prądowo-napięciowy, jak też środowisko pracy, a szczególnie dokładny profil temperaturowy. Pójście „na kompromis” na tym etapie rozwoju systemu zasilania może mieć znaczące i, często niestety, bardzo negatywne skutki dla późniejszej pracy,  żywotności i stabilności zasilania.

Wamtechnik wspiera Klientów w takim doborze. Przy wsparciu modelowania  matematycznego działania ogniw, które oferują najlepsi producenci, dobór gwarantuje niezawodność na wieloletnią pracę, nawet do 15-, 20-, czy nawet 25-letnim okresie pracy w bardzo różnych warunkach.

Baterie litowo-chlorkowo-tionylowe 3,6V (Li-SOCl2) są częstym wyborem do zasilania sprzętu IoT.

Chemia Li-SOCl2 zapewnia wysokie napięcie robocze, które jest stabilne przez większość okresu eksploatacji aplikacji, wysoką zdolność impulsową i najwyższą gęstość energii wśród dostępnych systemów chemicznych. Może działać w szerokim zakresie temperatur i jest niezawodnym i trwałym rozwiązaniem, a także jest jedną z najtańszych opcji.

Te cechy sprawiają, że jest to jeden z najlepszych wyborów do zasilania inteligentnych urządzeń elektronicznych.

W systemie tym zachodzi zjawisko pasywacji. Jest to reakcja chroniąca powierzchnię elektrod, która zachodzi spontanicznie we wszystkich bateriach litowych opartych na ciekłej katodzie i odgrywa główną rolę w wielu z jej korzystnych właściwości. Jednak, gdy nie jest dobrze zarządzana, pasywacja może niekorzystnie wpłynąć na działanie aplikacji.

W tym artykule przyjrzymy się najczęstszym pułapkom związanym z pasywacją, na jakie napotykają nasi inżynierowie ds. aplikacji, otrzymując nowe projekty aplikacji. Co najważniejsze, omówimy, co możesz zrobić, aby uniknąć tych błędów.

Czym jest pasywacja?

Pasywacja to reakcja powierzchniowa, która zachodzi spontanicznie na metalicznej powierzchni litu we wszystkich pierwotnych bateriach litowych z ciekłym materiałem katodowym, takim jak Li-SO2 (2,8V), Li-SOCl2 (3,6V) i Li-SO2Cl2 (3,9V). Warstewka chlorku litu (LiCl) szybko tworzy się na powierzchni metalicznej anody litowej, ta stała warstwa ochronna nazywana jest warstwą pasywacyjną, która zapobiega bezpośredniemu kontaktowi między anodą (Li) a katodą (SO2, SOCl2 i SO2Cl2). Mówiąc prościej, zapobiega to trwałemu wewnętrznemu zwarciu akumulatora i samoistnemu rozładowaniu. Dlatego umożliwia ogniwom opartym na ciekłej katodzie długi okres przydatności do użycia.

Warstwa pasywacyjna stanowi izolację elektryczną, co może mieć pewne konsekwencje dla pracy baterii. Wewnętrzna rezystancja ogniwa jest wzmocniona przez warstwę pasywacyjną, która może powodować odczyty niskiego napięcia podczas uruchamiania (czasy poniżej milisekund).

Po tym początkowym opóźnieniu napięcia szybko następuje faza depasywacji, podczas której transport jonów litu poprzez dyfuzję przez pory warstwy pasywacyjnej staje się dominujący nad rezystancją początkową. Po tym etapie napięcie ogniwa wraca do wartości nominalnej pod zadanym obciążeniem lub przyłożonym prądem. Pasywacja zaczyna powstawać ponownie po każdym przerwaniu przepływu prądu.

Na pasywację ma wpływ kilka czynników, które będą miały wpływ na długość i głębokość opóźnienia napięcia, takie jak system elektrochemiczny, temperatura lub czas przechowywania. Warstwa pasywacji narasta z upływem czasu, w konsekwencji maleje samorozładowanie i wydłuża się czas przechowywania.

Kwestia pasywacji ma zatem dalszy wpływ na odpowiedź napięciową ogniwa po kilku miesiącach lub latach w terenie. Opóźnienie napięcia spowodowane pasywacją litu jest czasami niedoceniane przez inżynierów projektujących sprzęty IoT, którzy uważają, że ich aplikacja „nie zachowuje się tak, jak powinna”.

Przyjrzyjmy się kilku najczęstszym pułapkom związanym z pasywacją, i temu co można zrobić, aby ich uniknąć

Siedem pułapek pasywacji ogniw litowych 3,6 V (Li-SOCl2)

https://www.youtube.com/watch?v=9838WfA8xJA&ab_channel=Saft

1. Staraj się za wszelką cenę ograniczać konsumpcję, jednak zbyt nisko

Jeśli optymalizacja zużycia energii przez urządzenie w celu przedłużenia jego żywotności jest Twoim głównym celem, uważaj, aby nie obniżyć zużycia energii zbyt dużo. Może to skutkować niemożliwością rozbicia warstwy pasywacyjnej podczas pracy ogniwa. Jeśli podstawowy prąd poboru energii jest zbyt niski, jony w szczytowym poborze prądu w czasie transmisji/komunikacji nie będą mogły przepłynąć przez barierę pasywacyjną, która będzie zbyt gruba. Spowoduje to spadek napięcia ogniwa poniżej napięcia odcięcia, a tym samym utratę transmisji danych.

Co robić

Znajdź dobry kompromis między żywotnością aplikacji a szybkością rozładowywania baterii.

Prąd obciążenia musi umożliwiać szybką i wydajną depasywację w trakcie pracy, oferując jednocześnie najdłuższy możliwy czas życia baterii. Jeśli twoja aplikacja wymaga impulsów o wysokim natężeniu prądu, początkowy spadek napięcia może również doprowadzić do przedwczesnego zakończenia życia. W takim przypadku dodanie kondensatora do ogniwa jest również dobrą opcją: kondensator będzie magazynował energię i uwalniał ją w razie potrzeby, umożliwiając płynniejszą depasywację ogniwa.

2. Nieuwzględnienie temperatury pracy aplikacji

Temperatura ma znaczący wpływ na powstawanie warstwy pasywacyjnej. Im wyższa temperatura, tym szybszy wzrost warstwy pasywacyjnej i większe utworzone kryształy LiCl. I odwrotnie, w niskich temperaturach lepkość elektrolitu jest wyższa, co z kolei spowalnia reakcje elektrochemiczne i dyfuzyjne oraz budowanie warstwy pasywacyjnej.

Efekt pasywacji w wyższych temperaturach byłby prawdopodobnie bardziej widoczny, zwłaszcza przy dużym poborze prądu.

Co robić.

Zastanów się, gdzie Twoja aplikacja będzie przechowywana i wdrażana oraz na jakie temperatury będzie prawdopodobnie narażona. Nasi inżynierowie aplikacyjni mogą pomóc Ci wybrać odpowiednią chemię baterii lub dostosować urządzenie do Twoich potrzeb w zakresie zasilania.

3. Przeoczenie minimalnego napięcia odcięcia aplikacji

Pasywacja może powodować odczyt niskiego napięcia przy początkowym przepływie prądu (po chwili napięcie wraca do normalnego poziomu – tzw. opóźnienie napięciowe). W rezultacie aplikacje charakteryzujące się wysokim napięciem odcięcia są bardziej podatne na opóźnienia napięciowe i możliwe wyłączenia. Zapisy napięcia poniżej progu odcięcia prawdopodobnie wywołałyby sygnał ostrzegawczy „słaba bateria”, lub, co gorsza, impuls prądowy może być niewystarczający do przerwania warstwy pasywacyjnej. Oznaczałoby to, że napięcie ogniwa może nigdy nie powrócić do wartości nominalnej, co z kolei może spowodować utratę przesyłanych danych, lub zresetowanie urządzenia.

Co robić

Obniż napięcie odcięcia dla każdego elementu aplikacji tak bardzo, jak to możliwe, pamiętając jednocześnie o poborze prądu. Ponieważ moc baterii jest iloczynem napięcia i prądu, przy stałej mocy zmniejszenie napięcia roboczego urządzenia zwiększy pobór prądu przez baterię. Kluczem do sukcesu jest znalezienie odpowiedniego kompromisu między czasem życia aplikacji a szybkością jej rozładowywania.

4. Wybór baterii większej niż to konieczne

Niektórzy uważają, że większa bateria będzie dostarczać prąd przez dłuższy czas. To częściowo prawda. Jednak dla danego średniego prądu większe ogniwo będzie bardziej podatne na pasywację niż mniejsze, ponieważ gęstość prądu w odniesieniu do całkowitej powierzchni elektrody jest stosunkowo mniejsza. Jak wyjaśniono powyżej, zbyt słaby prąd nie pozwala na depasywację. W efekcie urządzenie mogłoby w ogóle się nie uruchomić, a energia baterii zostałaby zmarnowana.

Co robić

Zidentyfikuj konstrukcję i rozmiar baterii, które odpowiadają potrzebom Twojej aplikacji w zakresie żywotności i zasilania — i zwróć się do naszych ekspertów o pomoc w wybraniu tego, co najlepsze dla Twojego urządzenia.

5. Nieuwzględnienie specyficznych wymagań dotyczących impulsów w profilu rozładowania aplikacji

Aby ocenić ryzyko pasywacji, należy wziąć pod uwagę dwa aspekty: maksymalną wartość szczytową prądu i częstotliwość impulsów.

– Aplikacje o wysokich impulsach mogą zostać zakłócone przez pasywację: impulsy prawdopodobnie zaburzą kryształy warstwy pasywacyjnej i więcej materiału aktywnego będzie potrzebne do odbudowy warstwy po impulsach prądu. Te zaburzenia zwiększają efekty pasywacji, dlatego należy spodziewać się spadków napięcia i opóźnień napięcia podczas impulsu.

– Aplikacje z długimi przerwami między impulsami są również bardziej narażone na zakłócenia przez pasywację, ponieważ pasywacja ma więcej czasu na odbudowę i wzrost warstwy w czasie między dwoma impulsami.

– Aplikacja z dużymi impulsami i niską ich częstotliwością będzie miała wysokie ryzyko pasywacji i zakłóceń pracy.

– Aplikacja z wysokimi impulsami i wysoką częstotliwością będzie miała mniejsze ryzyko pasywacji, ale wysoki średni prąd, a co za tym idzie wysokie zużycie energii (szybsze zużycie).

– Aplikacja z niskimi impulsami i wysoką częstotliwością nie powinna mieć problemu z pasywacją.

– Aplikacja z niskimi impulsami i niską częstotliwością będzie wiązać się z umiarkowanym ryzykiem pasywacji, w zależności od dokładnych wartości prądów, czasu i innych warunków środowiskowych (gł.temperatury).

Co robić

Ponownie, wszystko polega na przewidywaniu zapotrzebowania na moc aplikacji, aby znaleźć właściwy kompromis między profilem zużycia a obciążeniem energetycznym. Jeśli Twoja aplikacja wymaga wysokiego i/lub częstego pulsu, może być konieczne zaprojektowanie indywidualnego rozwiązania energetycznego, które zapewni wystarczającą żywotność dla Twojej aplikacji. Jeśli masz impuls o niskiej częstotliwości, powinieneś ocenić ryzyko pasywacji z producentem baterii.

6. Przyjmowanie „wprost” informacji wskazanych w karcie katalogowej baterii

Bez względu na to, jak bardzo byśmy chcieli, nie da się w jednym arkuszu danych czy karcie katalogowej podać wszystkich informacji technicznych przydatnych do zastosowania w sprzęcie danego produktu bateryjnego. Poziomy impulsów i informacje podane w karcie katalogowej są wartościami uśrednionymi i stałymi, które nie uwzględniają specyfiki Twojej aplikacji.

Co robić

Możesz przedstawić dane naszym inżynierom, którzy będą w stanie przeanalizować wymagania wstępne i ograniczenia dotyczące zasilania Twojej aplikacji, aby zalecić najlepsze rozwiązanie odpowiadające Twoim potrzebom.

Możesz także przetestować swoją aplikację w warunkach jak najbardziej zbliżonych do rzeczywistych (lub przetestować baterię impulsowo, uprzednio przeprowadzając proces starzeniowy, poprzez starzenie w podwyższonej temperaturze). Wartości nie będą dokładne, ale będziesz w stanie ocenić ogólne zachowanie baterii w sprzęcie w konkretnej instalacji.

7. Przekonanie, że test w temperaturze otoczenia jest w pełni reprezentatywny dla ogólnego zachowania Twojej aplikacji w terenie

Testuj, testuj, testuj – ale niestety test w temperaturze otoczenia i przez stosunkowo krótki czas nie może zastąpić testu w prawdziwym życiu przez kilka lat. Pasywacja jest zjawiskiem naturalnym, które ewoluuje na przestrzeni lat i zależy od różnych temperatur, na jakie narażona jest aplikacja. Niestety, tego starzenia nie można modelować ani przyspieszać, pozostawia to zbyt wiele niewiadomych, aby przyspieszony test był w 100% dokładny i rozstrzygający.

Co robić

Nic nie zastąpi rzeczywistego testu Twojej aplikacji.

Ale aby ocenić prawdopodobny efekt pasywacji w twoim urządzeniu, warto polegać na ekspertach. Nasi inżynierowie ds. zastosowań widzieli, testowali i polecali źródła zasilania do wielu zastosowań i mogą pomóc w wyborze odpowiednich ogniw.

Źródło: saft.com