PASYWACJA i ZWŁOKA NAPIĘCIOWA

Bateria Li/SOCl₂ składa się z metalicznego Litu, jako materiału aktywnego na katodzie i płynnego chlorku tionilu na anodzie. Taki system / konstrukcja umożliwa wyprodukowanie baterii o dużej gęstości energetycznej, wysokim i stabilnym napięciu wyładowania, szerokim zakresie temperatur roboczych i długim okresie przechowywania. Baterie Li/SOCl₂ mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, zwykle między -55°C a +85°C. Ich system elektrochemiczny daje najwyższą gęstość energetyczną spośród wszystkich znanych baterii pierwotnych: do 650Wh/kg oraz 1280 Wh/dm³. Co więcej, testy wykazały, że przechowywanie przez okres 10 lat w normalnych warunkach i temperaturze pokojowej może spowodowć spadek pojemności o mniej niż 10%. Niemniej jednak, w tym rodzaju baterii występuje zjawisko tzw. "zwłoki napięciowej", inaczej "pasywacji".

Dlaczego występuje zjawisko zwłoki napięciowej w tym rodzaju baterii?

Kiedy chlorek tionilu spotyka lit, powstaje cieńka warstwa pasywacyjna chlorku litu na powierzchnii metalicznego litu. Funkcja tej warstwy polega głównie na ochronie litu przed erozją. To włąśnie temu zjawisku zawdzięczają baterie Li/SOCl₂ swoją główną zaletę długiego okresu składowania. Z drugiej strony, warstwa ta powoduje różne spadki napięcia i obniża napięcie wyjściowe baterii poniżej nominalnego poziomu roboczego. Wynika to z faktu, że warstwa ta jest swojego rodzaju przewodnikiem ionowym i jednocześnie stanowi izolację elektronową. Kiedy podłączy się obciążenie do baterii, to w konsekwencji przez nią spada napięcie proporcjonalnie do napięcia wyładowania. To właśnie to zjawisko nazywamy "zwłoką napięciową" lub "pasywacją". Wraz z wyładowaniem, owa warstwa pasywacyjna stopniowo zanika, i - w konsekwencji - napięcie robocze ogniwa powraca do swojego normalnego poziomu. Tak więc, zwłoka napięciowa jest nieodłączną - wynikajacą z samej konstrukcji - cechą charakterystyczną baterii Li/SOCl₂.

Pomimo tego, że bezwładność napięciowa w ogniwach Li/SOCl₂ jest nieunikniona, to głębokość spadku napięcia okazuje się relatywna. Spadek ten jest wprost proporcjonalny do prądu wyładowania. Dla baterii z bezwładnością napięciową, po dłuższym okresie składowania, im wyższy jest prąd rozładowania, tym głębszy występuje spadek napięcia.

Co więcej, głębokość bezwładności napięciowej w ogniwach Li/SOCl₂ jest dynamiczna (zmienna). Tworzenie się w/w cieńkiej warstwy pasywacyjnej jest stopniowym, powolnym procesem elektrochemicznym i jest zależny od temperatury oraz okresu składowania: im wyższa temperatura i/lub dłuższy okres składowania, tym gęstsza / grubsza warstwa pasywacyjna. Skutkuje to na poziomie ogniwa, mniej lub bardziej zauważalną bezwładnością napięciową. Nie bez znaczenia są warunki przechowywania: Wzrost pasywacji jest wprost proporcjonalny do temperatury składowania ogniw. Proces ten jest mniej intensywny dla ogniw składowanych w temperaturze normalnej (pokojowej) niż dla tych, składowanych w wyższej temperaturze. Natomiast, tempo wzrostu jest takie samo dla nowych ogniw oraz dla ogniw, po pewnym okresie składowania.

Pod obciążeniem, jeśli napięcie początkowe ogniwa jest wyższe od napięcia odcięcia, to mówimy, że nie ma bezwładności napięciowej. Ogniwo może powracać do normy samoistnie po krótkotrwałym rozładowaniu i funkcjonować normalnie. Jednak, kiedy napięcie początkowe danego ogniwa jest poniżej napięcia odcięcia, mowimy, że występuje zjawisko bezwładności napięciowej, i bateria musi zostać depasywowana. W przeciwnym wypadku, nie może być użyta normalnie.

Pasywacja więc jest nieuniknioną i wynikającą z samego systemu cechą charakterystyczną baterii Li/SOCl₂, dzięki której ten typ baterii cechuje się wyjątkowo długim okresem składowania. Bez tej cechy, baterie Li/SOCl₂ nie mają najważniejszej, właściwej tylko sobie zalety. Kiedy użytkownicy nie znają dobrze tej cechy, nie mogą oni w pełni wykorzystać wysokich parametrów tego typu ogniw i/lub urządzeń nimi zasilanych. Co gorsze, może to skutkować złym odbiorem produktu klienta na rynku.

1. Napięcie baterii

Zaleca się testowanie napięcia poszczególnych ogniw osobno, zarówno pod obciążeniem, jak i bez obciążenia (SEM) przed instalowaniem do urządzenia.

Jest to bardzo stabilny parametr dla baterii Li/SOCl₂. Wartość jego zawsze mieści się pomiędzy 3.65V ~ 3.66V. Zwykle, jeśli napięcie SEM jest poniżej tej wartości, to bateria nie powinna zostać zainstalowana. Dla różnych urządzeń istnieje pewna tolerancja pomiarów i każdy przypadek powinien być rozpatrywany indywidualnie. Teoretycznie można założyć, że kiedy określona wiekszość wyników pomiarów napięcia ogniw / baterii mieszczą się pomiędzy 3.64V ~ 3.65V, oprócz kilku baterii, o napięciu wynoszącym tylko 3.63V, wtedy baterie / ogniwa te powinny zostać odrzucone. Gdyby te odrzucone ogniwa zostały zainstalowane do jakiegoś urządzenia, to możliwe, że nie będzie ono działać prawidłowo już po 3-ch lub 6-ciu miesiącach co najwyżej. Lepiej więc testować napięcie SEM ogniw na około pół miesiąca po dacie produkcji.

Parametr ten jest zmienny z powodu łatwości, z którą tworzy się cieńka warstwa pasywacji na powierzchii elektrod. Proces ten jest zależny do warunków i wprost proporcjonalny do czasu przechowywania. Przed instalowaniem, napięcie pod obciążeniem poszczególnych ogniw musi być badane. Oto sposób wykonania tego testu:

Trzeba podłączyć jeden opornik równolegle do użytego urządzenia pomiarowego, i wtedy wykonać pomiary napięcia baterii. Zwykle, uzyskuje się standardowe wartości, w przedziale 5~10 sekund. Napięcie pod obciążeniem musi wzrastać podczas testu. Jeśli będzie ciągle spadać, oznacza to, że bateria powinna być odrzucona. Po długim okresie składowania, badane napięcie pod obciążeniem powinno wzrosnąć do okolo 3.0V. Wtedy tylko można powiedzieć, że bateria ta jest w normie.

2. Actywacja (depasywacja)

Po długim okresie składowania, bateria będzie miała krótkotrwały (chwilowy) spadek napięcia z powodu pasywacji. Jak rozwiązać ten problem? Jest to co nazwiemy "depasywacja", lub inaczej "aktywacja". Istnieje kilka sposobów, żeby depasywować lub aktywować ogniwo, ale najlepszy jest rozładowanie przez opornik. Aktywacja musi być wykonana przed instalacją.

3. Aktywacja dla baterii już zainstalowanych w urządzeniach i próbki napięcia odcięcia.

Problem pasywacji nie moze być rozwiązany z pomocą tylko około 10 mikroamper, które to stanowi zasilanie danego urządzenia, zwlaszcza jeśli warstwa pasywasyjna jest znacznej grubości a wyładowanie odbywa się dużym prądem. Napięcie baterii wtedy spada poniżej 1.8V w ułamku sekundy. Istnieją równieź metody wykonania depasywacji na ogniwach juź zainstalowanych. Najdogodniejszy sposób polega na ujęciu stosownego oprogramownia w projektowaniu oprogramowania zasilanego urządzenia. Pewnym sposobem jest wyłączyć i włączyć urządzenie 1~2 razy każdego miesiąca, i testować napięcie na końcu tego okresu. Wynik testu napięcia powinien być powyżej 2.7V. Jeśli wypadnie poniżej 2.7V, oznacza to, że pojemność została praktycznie wyczerpana i bateria powinna zostać wymieniona natychmiast.

Sposób ten daje 4 korzyści:

1. Zachowanie baterii w stanie aktywacji (aktywnym);
2. Chronić złącza i przełączniki przed korozją / utlenianiem (śniedzieniem) z powodu wilgoci;
3. Redukować użycie komponentów do aktywacji;
4. Ułatwia testowania napięcia odcięcia.

Pojemność obciążeniowa baterii może pozostać na poziomie ponad 90% pojemności nominalnej, pod warunkiem wysokiego prądu rozładowania, a napięcie pozostanie na poziomie powyżej 3.0V dla baterii po depasywacji.