СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
LITHIUM CURRENT SOURCE TESTING METHOD

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литиевых химических источников тока.
Повышение качества изготовления литиевых химических источников тока является важной задачей их производства. Для повышения качества изготовления литиевых химических источников тока необходимы надежные и информативные способы тестирования источников тока.
7
Известные способы тестирования химических источников тока предусматривают определение ряда их характеристик, в первую очередь, напряжение или ток разряда, электрическая емкость при полном разряде, характер изменения напряжения в течение разряда или при выключении и включении тока разряда. Значения перечисленных характеристик позволяют судить о качестве изготовления и степени сохранения работоспособности химических источников тока в процессе их эксплуатации. Так, в способе контроля разряженности стартерного серебряно-цинкового аккумулятора (А.С. 1078505, СССР, МКИ Н01М10/42,10/32. Способ контроля разряженности стартерного серебряно-цинкового аккумулятора и устройства для его осуществления / Гераськов В.П. - Заявл. 21.06.82; опубл. в Б.И. 1984, №7.) предлагается разряжать аккумулятор на эталонную нагрузку током 0,3-0,5 часового разряда в течение времени диффузионного процесса, снимать нагрузку и измерять скорость возрастания напряжения. В большом количестве работ предлагают проводить анализ разрядной кривой (Пат. 2182383 Россия, МПК Н 01 М 10/42, G01R31/36. Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора / Маслаков М.Д. - №2000132131109. Заявл. 20.12; опубл.10.05.2002) или изменения напряжения при кратковременном разряде (А.С. 997143, СССР, МКИ Н 01 М 10/48. Способ определения емкости химического источника тока / Соловьев В.М. - Заявл. 01.12.80, № 3211364/24-07; опубл. в БИ, 1983, № 6). Анализ проводят, сопоставляя данные измерений с предварительно определенными зависимостями разрядного напряжения от отданной емкости и пропускаемого тока в основных режимах разряда. Подобные методы могут быть усложнены применением импульсного тока, что повышает их точность (А.С. 1003208, СССР, МКИ Н01М10/42. Способ определения остаточной емкости химического источника тока / Козинцев Б.Я.; НПО Квант. - Заявл. 21.07.81, № 3321563/24-07; опубл. в Б.И. 1983, №9).
Наиболее близким по технической сути является патент Великобритании №2350686 (Пат. 2350686 (Великобритания) МПК7G01R31/36. Switchtec Power Systems Limited / Adnan Anbuku, Philip Pascoe. - №9912778.9. Заявл. 03.06.1999; опубл. 06.12.2000; НПК G14). Изобретение касается метода определения емкости ХИТ, в первую очередь свинцового аккумулятора, но распространим и на другие виды ХИТ, включая и первичные источники тока. Метод предусматривает получение начального участка разрядной кривой тестируемого ХИТ. Снятие разрядной кривой возможно при токе, выбранном из широкого диапазона значений токов, и при температуре окружающей среды, выбранной также из широкого диапазона значений. При снятии начального участка разрядной кривой затрачивается от 1 до 10% номинальной емкости ХИТ.
пр
р
Полученный начальный участок тока разрядной кривой содержит "провал" напряжения, после нижней точки которого (U) разрядная кривая поднимается до разрядного напряжения U (фиг. 1).
пр
р
пр
р
пр
р
Авторы патента установили, что электрическая емкость ХИТ линейно зависит и от значений U, и от значений U. Для тестируемого типа ХИТ эти линейные зависимости устанавливают предварительно. Они справедливы для широкого диапазона токов разряда и температуры окружающей среды. При тестировании определяют U, или U исследуемого ХИТ и по предварительно установленным зависимостям емкости от значений U или U определяют емкость тестируемого ХИТ.
Описанный метод позволяет определить емкость, оставшуюся после частичного разряда или саморазряда ХИТ, не прибегая к полному разряду источника тока. Однако этот метод не позволяет прогнозировать уровень саморазряда свежеизготовленных источников тока и отбраковывать ХИТ, обладающих недопустимо высоким саморазрядом.
Перед авторами стояла задача разработки способа тестирования литиевого ХИТ, позволяющего прогнозировать уровень саморазряда свежеизготовленного источника тока для отбраковки ХИТ с недопустимо высоким саморазрядом.
реаг
Поставленная задача решена тем, что снимается и исследуется начальный участок вольтамперной кривой тестируемого ХИТ и определяется значение тока (I), при котором напряжение ХИТ становится равным напряжению разомкнутой цепи (НРЦ) минус 0,001 В. На фиг.2 представлен описанный начальный участок вольтамперной кривой литий-тионилхлоридного элемента ER14P.
реаг
реаг
реаг
реаг
Значение I зависит от скорости саморазряда литиевого ХИТ. Чем больше скорость саморазряда, тем больше значение I, поскольку саморазряд активирует рабочие поверхности электродов. Если предварительно определить значения I, отвечающие недопустимо высокому саморазряду, то эти значения можно использовать при прогнозировании уровня саморазряда свежеизготовленных литий-тионилхлоридных ХИТ и отбраковывать элементы с недопустимо высоким I, а значит и саморазрядом.
реаг
реаг
-3
-6
Предлагаемый способ тестирования литиевого источника тока состоит в следующем. Определяют область значений I, отвечающую недопустимому саморазряду элементов. Для этого выделяют партию из ХИТ, которые необходимо тестировать. Каждый из выбранных ХИТ поочередно включают в цепь, состоящую из переменного сопротивления с максимальным значением 15-20 МОм, цифрового вольтметра с точностью измерения не менее 10 В и микроамперметра с точностью измерения не менее 10 А. Уменьшают значение переменного сопротивления от максимального до величины, при которой разрядное напряжение становится меньше НРЦ на 0,001 В. Значения тока в этой точке принимают за величину I.
реаг
После определения I каждого из выделенной партии ХИТ разряжают несколько элементов и определяют их емкость. Оставшиеся элементы хранят при нормальных климатических условиях или повышенной температуре окружающей среды в течение определенного срока. После хранения элементы полностью разряжают и определяют величину потерянной емкости. Значения тока реагирования свежеизготовленных ХИТ, показавших недопустимо низкую емкость после хранения, принимают в качестве эталона для отбраковки литиевых ХИТ данного типа после их изготовления.
реаг
реаг
реаг
При проведении тестирования производимых литиевых ХИТ определяют по вышеописанной методике I каждого тестируемого элемента. Полученные значения I сопоставляют со значениями, принятыми в качестве эталона для данного типа ХИТ. При превышении значения I тестируемого ХИТ эталонного значения источник тока бракуется из-за недопустимого саморазряда.
реаг
реаг
-3
-6
Предложенный способ тестирования литиевых ХИТ имеет ряд достоинств. Значения токов реагирования I определяются на начальном участке вольтамперной кривой ХИТ и находятся в области микротоков разряда, что требует минимальные затраты времени (минуты) и емкости ХИТ (миллионные доли номинальной емкости). Электрическая установка для определения I простая и включает переменное сопротивление с максимальным значением 15-20 МОм, вольтметр с точностью до 10 В и микроамперметр с точностью измерений до 10 А.
Эффективность предлагаемого способа тестирования раскрывается приведенным ниже примером.
Пример. Провели тестирование предлагаемым способом партии свежеизготовленных цилиндрических литий-тионилхлоридных элементов ER14P с рулонной конструкцией блока электродов. Получены начальные участки вольтамперных кривых каждого элемента в области микротоков разряда. При проведении тестирования элементов использовали контрольно-измерительные приборы, перечисленные в табл. 1.
Таблица 1
Контрольно-измерительные приборы, использованные для получения вольтамперных зависимостей элементов
Наименование приборов
Тип
Количество, шт.
Вольтметр
Sanwa PC520M
1
Микроамперметр
Ф-195, ГОСТ 8711-78
1
Переменное сопротивление
Диапазон изменения сопротивления20 Ом-14 МОм
1
реаг
реаг
реаг
реаг
реаг
реаг
Испытания элементов проводили при нормальных климатических условиях. Перед снятием начального участка вольтамперной зависимости элементы выдерживали до установления постоянного значения НРЦ. Начальный участок вольтамперной кривой получали, разряжая элемент на переменное сопротивление. Значение сопротивления уменьшали от максимального до величины, при которой напряжение разряда становилось меньше значения НРЦ (измеряемого до третьего знака после запятой) на 0,001 В. Величину тока разряда в этой точке принимали за значение I. В табл.2 приведены номера тестируемых элементов, значения их НРЦ и I. Элементы разбиты на три группы по значениям I : 1 группа - I до 70 мкА; 2 группа - I от 70 до 100 мкА; 3 группа - I выше 100 мкА.
Таблица 2
Значения НРЦ и тока реагирования тестируемых свежеизготовленных элементов ER14P
Группа 1
Группа 2
Группа 3
№ элемента
НРЦ,В
I<sub>реаг</sub>,мкА;
№ элемента
НРЦ,В
I<sub>реаг</sub>,мкА;
№элемента
НРЦ,В
I<sub>реаг</sub>,мкА;
7253
3,644
20
7263
3,645
85
7261
3,644
140
7255
3,643
22
7265
3,641
84
7277
3,644
241
7257
3,644
55
7269
3,642
79
7278
3,644
225
7274
3,641
68
7279
3,645
78
7284
3,644
243
7280
3,646
57
7282
3,644
76
7285
3,643
147
7283
3,683
61
7289
3,646
100
7286
3,643
132
7296
3,648
52
7290
3,647
87
7292
3,644
156
7297
3,647
34
7299
3,646
99
7293
3,643
139
7298
3,646
32
7301
3,646
100
7304
3,644
119
По три свежеизготовленных элемента из каждой группы были разряжены до 2 В током 0,25 А. Остальные были выдержанны при нормальных климатических условиях в течение 12 и 18 месяцев и разряжены током 0,25 А до 2 В. Значения разрядной емкости всех испытанных элементов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Разрядная емкость тестируемых элементов свежеизготовленных и после хранения
Группа
№ элемента
Время хранения, месяц
Разрядная емкость, А·ч
Средняя разрядная емкость, А·ч
Потерянная емкость, А·ч, %
1
2
3
4
5
6
1
7257
0
4,4
4,72
0
7297
0
5,05
7298
0
4,71
2
7282
0
4,48
4,84
0
7289
0
5,2
7290
0
4,48
3
7285
0
4,97
4,98
0
7292
0
4,97
7293
0
5,0
1
7253
12
3,94
4,14
0,5812%,
7255
12
4,35
7280
12
4,13
2
7265
12
4,16
3,95
0,8918,4%
7269
12
3,94
7279
12
3,75
3
7261
12
3,83
3,78
1,224%
7284
12
3,76
7304
12
3,75
1
7274
18
4,1
4,08
0,6413,5%
7283
18
4,15
7296
18
3,99
2
7263
18
3,85
3,85
0,9920,5%
7289
18
3,9
7299
18
3,8
3
7277
18
3,8
3,53
1,4529%
7278
18
3,27
7286
18
3,52
реаг
реаг
реаг
Представленные в табл. 3 экспериментальные данные однозначно показывают, что чем больше I у свежеизготовленного элемента, тем больше скорость саморазряда данного элемента при последующем хранении. Так, элементы третьей группы, показавшие при тестировании в свежеизготовленном состоянии значения I больше 100 мкА, через год естественного хранения потеряли 24 % емкости, а через 1,5 года - 29 %. В то же время элементы первой группы, показавшие при тестировании в свежеизготовленном состоянии значения I меньше 70 мкА, через год естественного хранения потеряли только 12 % емкости, а через 1,5 года - 13,5 %.
реаг
реаг
реаг
реаг
Полученные данные подтверждают, что значения I, полученные при анализе начальных участков вольтамперных кривых свежеизготовленных элементов, позволяют прогнозировать уровень саморазряда этих элементов при последующем хранении. Опираясь на данные, приведенные в табл. 3, можно, по значениям I свежеизготовленных элементов ER14P, отбраковывать элементы с большими значениями I, как обладающие недопустимо большой скоростью саморазряда. Например, элементы с I, превышающим 70 мкА или 100 мкА (в зависимости от требований к срокам сохраняемости).
Тестирование свежеизготовленных литий-тионилхлоридных элементов по методу, являющемуся прототипом, не дает информации ни о емкости элементов, ни о скорости их саморазряда при последующем хранении. Это связано с тем, что разрядные кривые свежеизготовленных литий-тионилхлоридных элементов не имеют "провала" напряжения, который можно проанализировать согласно методу-прототипу.
Приведенный пример тестирования литий-тионилхлоридных элементов ER14P в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, подтверждает возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".
Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию "новизна".
Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию - "изобретательский уровень".
На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.