Источники тока на базе системы литий-диоксид марганца
(Li-MnO2)
Элементы Li-MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца появились на рынке первичных литиевых источников тока одними из первых.
Электрохимическая система может быть представлена следующим образом:
(–) Li | LiClO4, ПК + ДМЭ | MnO2 (+).
Анодная, катодная и суммарная реакции в элементе [4]:
xLi – xe– → xLi+, (10)
MnO2 + xLi+ + xe– → MnOOLix, (11)
MnO2 + xLi → MnOOLix. (12)
Катод (диоксид марганца) восстанавливается из четырехвалентного до трехвалентного состояния с помощью лития, который внедряется в кристаллическую решетку конечного оксида. Электролит − перхлорат лития в смешанном органическом растворителе (пропилен карбонат ПК и диметоксиэтан ДМЭ).
ЭДС элементов составляет 3,5 В, номинальное напряжение – 3 В, конечное – 2 В. Рабочий диапазон температур от –20 до +55ºC. Срок хранения 10 лет при саморазряде порядка 1% в год.
В соответствии со стандартом МЭК в обозначениях элементов системы литий-диоксид марганца указываются буквы CR.
В таблице 2 представлены различные типы системы Li-MnO2 фирмы «GP Batteries» (США), получившие наибольшее распространение. Разрядные кривые дискового элемента CR1616 Новосибирского завода химконцентратов показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Типичные разрядные кривые дискового элемента CR1616 (16х1,6 мм) системы Li-MnO2 Новосибирского завода химконцентратов при разряде на различные постоянные сопротивления
Таблица 2
Примеры системы литий-диоксид марганца фирмы «gp Batteries» (сша)
Тип элемента |
Размеры, мм |
Рабочее напряжение, В |
Номинальная емкость, мА∙ч |
Дисковые элементы |
|||
CR1220 |
12,50х2,00 |
3,0 |
38 |
CR1616 |
16,00х1,60 |
3,0 |
42 |
CR2016 |
20,00х1,60 |
3,0 |
72 |
CR2025 |
20,00х2,50 |
3,0 |
160 |
CR2032 |
20,00х3,20 |
3,0 |
220 |
CR2430 |
24,50х3,00 |
3,0 |
280 |
Цилиндрические элементы и батареи |
|||
CR123A |
16,9х34,5 |
3,0 |
1300 |
CR-P2 |
36,0х19,5х35,0 |
6,0 |
1300 |
2CR5 |
34,0х17,0х45,0 |
6,0 |
1300 |
CR2 |
15,6х27,0 |
3,0 |
800 |
Элементы системы литий-йод
Элементы системы литий-йод является практически единственным примером литиевых элементов с твердым электролитом, получивших широкое распространение. Подавляющее большинство таких элементов используется в имплантируемых электрокардиостимуляторах. Особенности электропитания данной аппаратуры – довольно малый ток разряда (десятки микроампер), необходимый большой срок службы и высокая надежность элементов – подходят для элементов указанной электрохимической системы.
Элементы системы литий/йод не содержат сепаратора. При сборке элементов литиевый анод просто прижимается к катоду – смеси йода с поли-2-винилпиридином, обладающей электронной проводимостью. При таком контакте между катодом и анодом сразу же образуется тонкая прослойка иодида лития, который в дальнейшем служит твердым электролитом с проводимостью по ионам иодида. По мере разряда расходуются литий и йод, а толщина электролита увеличивается пропорционально прошедшему количеству электричества.
В элементах системы литий-йод активным веществом катода является комплексное соединение элементарного йода с поли-2-винилпиридином – Р2VР · nI2. Поли-2-винилпиридин имеет формулу [CH2CH(C5H5N)]n. При разряде содержание йода в комплексе постепенно уменьшается, а продуктом разряда является иодид лития, служащий одновременно твердым электролитом:
Р2VР · nI2 + уLi+ + ye– → Р2VР · (n – y)I2 + уLiI. (13)
При протекании реакции разряда не образуется соединений переменного состава, так что напряжение разомкнутой цепи сохраняется постоянным. В то же время за счет увеличения толщины и сопротивления электролита разрядное напряжение линейно уменьшается по мере разряда. В конце разряда, при исчерпании всего йода, напряжение резко падает (рис. 4).
Рис. 4. Разрядные кривые элементов фирмы Catalyst Research с маркировкой 802/23, 803/23, 804/23, 802/35 и 702Е системы Li-I2
при разряде на нагрузку 90 кОм
Объем продуктов токообразующей реакции на 10–15% меньше объема исходных активных веществ, так что при разряде не происходит «вспучивание» элемента. В большинстве случаев элементы изготавливают в корпусах из нержавеющей стали. В таблице 3 приведены параметры выпускаемых в России элементов системы литий-йод.
Таблица 3