Разнообразие требований к источникам питания для разной аппаратуры привело к промышленному производству большого количества герметичных ХИТ разных электрохимических систем, которые выпускаются в широком диапазоне емкостей и в разном конструктивном исполнении. Откликаясь на требования общего технического прогресса, мировая наука и технология в области ХИТ в настоящее время обеспечивает такие темпы развития, которые 10–15 лет тому назад казались немыслимыми. Ситуация меняется ежегодно как в смысле научных и производственных достижений, так и по количеству предприятий, выпускающих конкурентную продукцию.

Однако при фантастическом ускорении прогресса в области разработок и производства ХИТ разных электрохимических систем в 1990-х годах в России наблюдался полный информационный вакуум в этой области. По понятным причинам прекратился выпуск отечественных профессиональных научных сборников и журналов, информация о хлынувшей на российский рынок продукции иностранных компаний была малодоступна. И на этом фоне стали появляться публикации о химических источниках тока, написанные пользователями этой продукции, которые часто отражали лишь поверхностное представление об их возможностях и особенностях эксплуатации, и в которых читатель получал ложную информацию о состоянии производства.

Начиная с 2000 г., в ООО «БУСТЕР СПб» было выпущено 3 справочника о герметичных источниках тока, последний в 2005 г. [1] Каждый последующий отражал существенное изменение на рынке этой продукции и оборудования для его испытаний и эксплуатации. Появилась и другая профессиональная литература об источниках тока вообще [2, 3] и герметичных в частности [4, 5]. Наладился выпуск отраслевого журнала"Электрохимическая энергетика", издаются сборники научных статей, которые требуют профессионального комментария для пользователей продукции аккумуляторной промышленности.

Настоящей статьей мы начинаем серию публикаций о современном состоянии отечественного и мирового производства герметичных источников тока, обо всем разнообразии возможностей которые они обеспечивают и особенностях их эксплуатации. А также о состоянии отечественного производства и российского рынка этой продукции.

ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА (ЭЛЕМЕНТЫ)

При выборе ХИТ для источника автономного питания аппаратуры рассмотрение принимаются:

• условия эксплуатации;
• режим разряда;
• характер нагрузки;
• характеристики самого источника тока;
  • электрическая мощность;
  • диапазон рабочего напряжения и его стабильность при изменении режимов нагрузки;
  • срок службы и особенности хранения;
  • специальные требования относительно надежности при разных условиях эксплуатации.
• условия окружающей среды (прежде всего, диапазон рабочих температур).

Первичные источники тока обычно применяют в тех случаях, когда аппаратура используется периодически и запаса энергии хватает на многие месяцы эксплуатации без проблем. Такая ситуация имеет место при использовании ХИТ в разнообразных бытовых устройствах (часах, калькуляторах, электронных органайзерах, игрушках с электрическим питанием и пр.).

Но все больше интереса вызывают источники тока для промышленных устройств, среди которых и специальные с необычными требованиями к их возможностям: больших импульсных нагрузок и длительного хранения.

ЭЛЕМЕНТЫ С ЦИНКОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ И ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

В аппаратуре широкого потребления чаще всего используются наиболее дешевые источники тока, элементы с цинковым положительным электродом, известные уже более 100 лет и значительно улучшенные за последнее время.

Среди них главное место занимают марганцево-цинковые (МЦ-элементы), которые выпускаются с солевым и щелочным электролитом. Емкость их сильно зависит от величины и характера нагрузки, а рабочее напряжение падает по мере разряда. Щелочные МЦ-элементы стоят в 3–5 раз дороже солевых, но при тех же габаритах обеспечивают емкость в несколько раз большую, обладают меньшим саморазрядом и лучше работают при низкой температуре.

В России МЦ-элементы обеих модификаций наиболее массово выпускает ОАО «Энергия» в г. Елец, во всем мире — более 100 компаний, среди которых ведущими являются DURACELL, ENERGIZER, PANASONIC, PHILIPS, SAMSUNG. В настоящее время мировое производство щелочных МЦ-элементов почти в 3 раза больше чем солевых и доля их в общем производстве ежегодно увеличивается.

Слаботоковые малогабаритные элементы других электрохимических систем с цинковым электродом (серебряно-цинковые, ртутно-цинковые), которые использовались ранее в часах и в качестве источников стандартного (опорного) напряжения в контрольно-измерительной аппаратуре, в настоящее время в России не выпускаются. Используются СЦ-элементы компаний MAXEL, PANASONIC, SONY, CITIZEN, VARTA, DURACELL, вообще же эти элементы во многих случаях заменяются на малогабаритные литиевые.

Увеличивается интерес также и к достаточно дешевым воздушно-цинковым элементам, напряжение которых стабильно практически до исчерпания емкости. Они обычно работоспособны в диапазоне температур от 0 до +40?С и при невысокой влажности воздуха. До вскрытия заклеенного отверстия для обеспечения доступа в систему воздуха элементы могут храниться 1 — 2 года.

Раньше воздушно-цинковые малогабаритные дисковые элементы выпускались лишь для использования в качестве источников тока слуховых аппаратов (продукция ОАО "Энергия", компании PANASONIC). В настоящее время выпускаются дисковые элементы, обеспечивающие емкость до нескольких ампер-часов (например, в компании DURACELL), а также элементы призматической конструкции, которые используются для систем специальной связи и в такой аппаратуре, когда должна быть обеспечена периодическая работа в импульсном режиме или постоянная при небольшой нагрузке. Французская компания SAFT, например, выпускает призматические воздушно-цинковые элементы большой емкости: с солевым электролитом емкостью от 55 до 900 Ач и с щелочным электролитом емкостью от 180 до 2500 Ач, последние работоспособны даже при температуре −30?С. Они используются для железнодорожной сигнализации, для электрических заборов, освещения помещений. В табл. 1 показаны сравнительные характеристики описанных элементов.

Таблица 1. Основные характеристики элементов с водным электролитом

ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В настоящее время во многих случаях с традиционными элементами с водным электролитом успешно конкурируют литиевые с органическим электролитом (табл. 2). Они имеют более высокое и стабильное рабочее напряжение в широком диапазоне нагрузок, значительно более высокие удельные характеристики, работоспособны в расширенном диапазоне температур и не теряют своих свойств в течение значительно более продолжительного времени.

Таблица 2. Основные характеристики литиевых элементов

* — литиевый элемент с твердым электролитом, используемый для электрокардиостимуляторов

В России литиевые элементы разных электрохимических систем выпускает ОАО «Энергия», ОАО «Литий-элемент» в г. Саратов, ООО «Элиак» в г. Новочеркасск. На российском рынке присутствует также продукция нескольких ведущих компаний мира (PANASIONIC, SANYO, DURACELL, SAFT, SONNENSCHEIN LITHIUM). И если 40–50 лет тому назад выпускались лишь слаботоковые элементы (даже при значительной емкости), то в настоящее время производятся и мощные, способные обеспечить ток до нескольких ампер. Литиевые элементы с жидкофазным электролитом Li/SOCl2 емкостью порядка 13 Ач, выпускаемые российским предприятием ООО "Элиак" и французской компании SAFT способны обеспечивать токи до 3 и 4,5 А соответственно А. Характеристики мощных элементов SAFT системы Li/SO2, которые допускают очень мощные разряды, представлены в табл. 3.

Способность к разряду большим током после длительного (до 10 лет) хранения определила эффективность их использования в ряде специальных приложений. Первоначальная более высокая пожароопасность этих элементов с электролитом значительно более агрессивным, чем у щелочных элементов, к настоящему времени преодолена за счет совершенствования технологии изготовления и использования систем защиты от перегрузок и разогревания.

Таблица 3. Мощные литиевые элементы системы Li/SO2 компании SAFT

ЛИТЕРАТУРА

• Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург. Химиздат. 2005. 262 с.
• Химические источники тока. Справочник под ред. Н. В. Коровина, А. М. Скундина. М. Изд. МЭИ. 2003. 739 с.
• Таганова А. А., Семенов А. Е. Свинцовык аккумуляторные батареи: стационарные, тяговые, для портативной аппаратуры. Санкт-Петербург. Химиздат. 2004. 118 с.
• Таганова А. А., Пак И. А. Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры. Санкт-Петербург. Химиздат. 2003. 206 с.
• Нижниковский Е. А.. Химические источники тока автономного электро- питания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Изд. МЭИ. 2004. 226 с.