Fuente de alimentación autónoma para equipo radioelectrónico en miniatura.
Nizhnikovsky Evgeniy Aleksandrovich,
Candidato de Ciencias Químicas,
Serdyukov Petr Nikolaevich,
Doctor de Ciencias Técnicas
FUENTE DE ENERGÍA AUTÓNOMA PARA EQUIPOS RADIOELECTRÓNICOS EN MINIATURA
El funcionamiento de la mayoría de los tipos de equipos radioelectrónicos (REA) de propósito especial es imposible sin fuentes de corriente modernas, altamente eficientes y confiables.
La gran mayoría proporciona suministro eléctrico autónomo de REA de casos que utilizan fuentes de corriente química.
Las fuentes de corriente química (CHS) utilizan el principio de conversión directa de energía química en energía eléctrica. La historia de su creación se remonta a unos doscientos años, pero el trabajo de investigación y desarrollo en esta área continúa hasta el día de hoy.
Hay muchas opciones para HIT, que difieren en tamaño y características de diseño. y la naturaleza del flujo, en ellos se producen reacciones electroquímicas (o las llamadas de formación de corriente). Dependiendo de la opción, los parámetros operativos y de rendimiento cambian. Esta diversidad está bastante justificada, ya que los HIT se utilizan en una amplia variedad de condiciones y cada área de aplicación tiene sus propias características específicas.
La fuente de corriente consta de una o más celdas individuales: elementos galvánicos. El voltaje de cada elemento individual es bajo (1 — 4 V, dependiendo del sistema electroquímico). Cuando se requiere un voltaje más alto, la cantidad requerida de elementos se conecta en serie en una batería.
Según el principio de funcionamiento, los HIT se dividen en grupos:
a)primarioHIT – elementos de acción única, o simplemente elementos. Contienen un cierto suministro de reactivos que les aportan energía; una vez agotada esta reserva (después de una descarga completa), las celdas primarias pierden su funcionalidad;
b) bateríaspilas recargables, secundarias o reversibles. Después de la descarga, las baterías se pueden recargar pasando corriente desde un circuito externo en la dirección opuesta. Así, durante el proceso de carga, la energía eléctrica procedente de una fuente de corriente externa se acumula en la batería en forma de energía química; cuando se descarga, se devuelve al consumidor. Las baterías permiten una gran cantidad de ciclos de carga y descarga (cientos y miles), lo que brinda oportunidades adicionales para su uso en tecnología.
No existe una frontera claramente definida entre estos grupos de HIT: algunos tipos de celdas primarias se pueden recargar, al mismo tiempo, las baterías a veces se descargan solo una vez. A la hora de elegir entre baterías y celdas primarias, los diseñadores de equipos suelen tener en cuenta que las primeras tienen mayor potencia, mientras que los elementos tienen una energía específica mayor.
Las CCI primarias más famosas y comunes son elementos zinc — manganeso. Desde hace más de 100 años se conocen pilas con electrolito salino y baterías basadas en ellas, que son el principal tipo de fuente de energía química. Sus bajas características de rendimiento (energía específica — hasta 100 Wh/dm3*, vida útil — hasta dos años) se compensan con el bajo coste y la facilidad de fabricación.
*Para comparar los parámetros energéticos del HIT de varios sistemas electroquímicos, utilice el valor de la energía específica, ya sea en peso — Wh/kg o volumétrica — Wh/dm3.
Estos parámetros tienen en cuenta las diferencias en voltajes y capacidades de varias fuentes de corriente, ya que se calculan multiplicando el valor del voltaje de descarga por la capacidad dividida por el peso (volumen) de un elemento en particular
La modificación de elementos zinc-manganeso con un electrolito alcalino tiene 1,5 — 2 veces mayor capacidad y potencia.
Las tecnologías modernas utilizadas por varias empresas extranjeras líderes han permitido mejorar aún más los parámetros de rendimiento de los reactores químicos de zinc-manganeso (« Energizer», & #171;Duracell», «Sony»).
Sin embargo, la publicidad afirma sobre un aumento colosal de la capacidad (« ;la potencia de siete baterías») es una clara exageración y se refiere a modos de funcionamiento particulares.
Durante los últimos 30 años, una alternativa a los elementos de zinc-manganeso han sido las fuentes de corriente de mercurio-zinc.
En términos de energía específica (300 Wh/dm3) y vida útil (hasta 5 años), superan a sus análogos de zinc-manganeso y no son inferiores a ellos en otros parámetros. Su rendimiento a bajas temperaturas es bajo.
Cuando se descargan se libera mercurio metálico, lo que es extremadamente peligroso desde el punto de vista medioambiental. Además, cuando entra en contacto con los elementos de instalación de los equipos electrónicos, provoca su avería.
En los últimos años, los fabricantes de estos elementos han anunciado una reducción de la producción, incluso su cese total, debido a los peligros medioambientales y a la presión de los organismos públicos (“verdes”).
La presencia de las deficiencias enumeradas llevó a la búsqueda de HIT fundamentalmente nuevos, y dicha búsqueda terminó con la creación de elementos con un ánodo de litio, que superan significativamente a todos los demás tipos de HIT en términos de un conjunto de parámetros operativos.
El desarrollo de las fuentes de energía de litio comenzó hace bastante tiempo, pero su producción industrial no comenzó hasta los años 70. Inmediatamente ocuparon un lugar destacado en el suministro de energía de una serie de áreas de equipos, incluidos los equipos especiales.
La razón de esto son las capacidades operativas únicas de esta clase de HIT.
Estos, a su vez, son causados por el uso de materiales de electrodos de alta energía, nuevos materiales estructurales y tecnologías en estas fuentes actuales.
Debido a la mayor actividad química del litio, estos elementos requieren un sellado mejorado y condiciones especiales de montaje (cajas selladas, atmósfera de gas inerte).
Dependiendo del tipo de materiales de los electrodos y electrolitos utilizados, se distinguen los siguientes:
- celdas de litio con un electrolito inorgánico (cloruro de tionilo de litio, dióxido de azufre de litio, etc.);
- pilas de litio con electrolito orgánico (polifluorocarbono de litio, dióxido de manganeso y litio, etc.);
- pilas de litio con electrolito sólido (yodo de litio).
Los elementos del sistema de litio-cloruro de tionilo tienen los más altos parámetros técnicos.
Tienen un voltaje de descarga de 3,4 V, una vida útil de hasta 10 años o más y un alto rendimiento. a bajas temperaturas, baja autodescarga -3% anual y alta potencia.
Los elementos del sistema de litio-cloruro de tionilo tienen la energía específica más alta conocida: hasta 1000 Wh/dm3.
Su uso en dispositivos electrónicos en miniatura en lugar de los sistemas tradicionales conduce a un aumento de las capacidades técnicas de los productos y una mejora en sus características masa-dimensionales.
Las regulaciones del ejército de EE. UU. exigen el uso de fuentes de corriente de cloruro de litio-tonilo en equipos militares como el principal tipo de HIT.
En nuestro país se ha iniciado la producción de toda una gama de HIT en miniatura de cloruro de tionilo y litio, con capacidades desde 0,17 Ah (TL-53) hasta 11 Ah (TL-11). .
Existe experiencia en la producción de elementos con una capacidad de varios cientos de amperios hora. Una característica de los elementos de este sistema es que el cloruro de tionilo sirve simultáneamente como disolvente y como material catódico activo, lo que conduce a un aumento notable en la eficiencia del uso de masas activas.
Junto con las indudables cualidades positivas del cloruro de litio-tionilo, también se conocen sus desventajas. El principal es el peligro de explosión.
Si se violan las reglas de operación y almacenamiento de elementos (cortocircuitos, sobrecalentamiento, descarga profunda, carga, daños mecánicos, etc.), es posible que se produzcan explosiones que pueden provocar la destrucción del equipo y lesiones al personal.
En los últimos años, para mejorar la seguridad contra explosiones de los elementos, los desarrolladores han llevado a cabo un gran programa de investigación fundamental y aplicada.
Como resultado, un Se han desarrollado una serie de técnicas tecnológicas y de diseño.
Se utilizan fusibles internos y externos, válvulas de presión para liberar los gases generados, materiales de separación fusibles, etc.
Además, es necesario cumplir con una serie de reglas dadas en el manual de operación. instrucciones para elementos específicos. Otra desventaja es la presencia de una “caída de voltaje” inicial.
En el momento inicial después de encender el elemento para la descarga, el voltaje disminuye a valores por debajo de la descarga final. , aumentando posteriormente hasta el caudal medio.
Las caídas de voltaje más notables se producen en elementos después de un almacenamiento prolongado o en aquellos expuestos a temperaturas elevadas. Se ha demostrado que la subdescarga preliminar de los elementos ayuda a eliminar las caídas de tensión.
Además del cloruro de litio-tionilo, varias empresas extranjeras producen elementos del sistema de litio-dióxido de azufre. Son algo inferiores a los anteriores en energía específica (525 W h/dm3) y voltaje de descarga (2,7 V), pero se consideran más a prueba de explosiones.
Las caídas de voltaje también son observado para los elementos de este sistema .
Según las soluciones de diseño, se distinguen estructuras cilíndricas, de disco y prismáticas, en rollo e impresas.
Las fuentes en rollo tienen electrodos de área grande, lo que aumenta su potencia. Los CHP empaquetados tienen electrodos de área pequeña y baja potencia, pero una mayor intensidad de energía específica debido al bajo contenido de materiales estructurales.
Existen varias versiones conocidas de CIT de litio con un electrolito orgánico, que en términos de los principales parámetros operativos (voltaje, energía específica y potencia) son algo inferiores a las muestras basadas en cloruro de tionilo &# 8212; elementos con cátodos a base de polifluorocarbono (CFx)n, dióxido de manganeso MnO2, trióxido de molibdeno MoO3, óxido de cobre CuO, etc.
Empresas nacionales han desarrollado y puesto en producción elementos de estructuras cilíndricas y de disco, así como elementos planos flexibles.
Dado que los materiales de los electrodos para elementos con electrolito orgánico son sustancias sólidas, la tecnología para fabricar fuentes basadas en ellos es más simple y más barata.
Los HIT de los sistemas enumerados se consideran menos explosivos en funcionamiento y más baratos, por lo que tienen una serie de aplicaciones sostenibles. incluso en electrodomésticos.
Las pilas de litio con electrolito sólido tienen una larga vida útil (10 — 20 años), pero tienen una potencia muy baja.
Actualmente se utilizan para alimentar marcapasos y se pueden utilizar en memorias. sistemas de almacenamiento en computadoras.
La producción de celdas de litio se domina en varios centros de investigación y producción del país: la Empresa Estatal de Investigación y Producción «Kvant», Moscú; NKTBHIT, Novocherkassk; JSC NIAI, San Petersburgo; MP Raduga”, Podolsk; MP “Kraslit”, Krasnoyarsk, JSC “Alten”, Elektrougli, etc.
Tabla 1: Fuentes de corriente química primaria desarrolladas para productos de equipos especiales