低电池自放电:长使用寿命的秘密

工业自动化和工业物联网(IIoT)中使用的远程无线设备越来越需要使用长寿命锂电池，以确保可靠的性能并降低总拥有成本。

用工业级锂电池为这些设备供电可以消除对硬接线设备到电网的需求，这是非常昂贵的，任何类型的硬接线设备的成本大约为100美元/英尺，甚至是一个基本的电气开关。在交通不便的地区，这些成本会呈指数级上升。

如果远程无线设备消耗的平均电流以微安为单位，则通常可以使用工业级初级(不可充电)锂电池长时间供电。如果该设备的平均电流以毫安为单位，那么它可能更适合于与锂离子(Li-ion)可充电电池结合使用的某种类型的能量收集设备，以存储收集到的能量。

亚硫酰氯锂电池寿命更长

锂电池具有高的内在负电位，超过所有其他金属。作为最轻的非气态金属，锂在所有可用的电池化学物质中具有最高的比能(单位重量的能量)和能量密度(单位体积的能量)。锂电池的正常工作电流电压(OCV)范围为2.7至3.6 V。这些化学物质也是非水的，因此在极端温度下不太可能结冰。

市面上有许多原锂化学物质，包括二硫酸铁(life)₂)、二氧化锰锂(LiMnO)₂)、亚硫酰氯锂(LiSOCl)₂)和金属氧化物锂。在所有这些备选方案中，LiSOCl₂化学是极端环境下长期部署的首选，包括AMR/AMI计量、机器对机器(M2M)、监控和数据采集(SCADA)、储罐液位监测、资产跟踪和环境传感器等。

Bobbin-type LiSOCl₂电池具有任何锂电池中最高的容量和最高的能量密度，支持产品小型化。这些电池还具有低的年自放电率(某些电池每年低于1%)，允许长达40年的电池寿命。Bobbin-type LiSOCl₂电池还可以提供最宽的温度范围(-80℃至125℃)，并采用优质的玻璃-金属密封，可防止泄漏(见图1)。

特别改进的筒式LiSOCl₂冷链中使用电池，在-80℃下连续监测冷冻食品、药品、组织样本和移植器官的运输₂电池还具有独特的高温适应性。例如，这些电池为跟踪医疗设备位置和状态的有源RFID标签供电，而无需在温度可达125℃的高压灭菌器灭菌之前取出电池(参见图2)。

降低自放电是至关重要的

虽然很多媒体都在关注通过使用低功耗芯片组和通信协议来延长电池的使用寿命，但所有这些方案所节省的潜在能源都无法与每年自放电所损失的能源相比。

自放电是一种影响所有电池的自然现象，因为即使电池在储存和不使用时也会发生化学反应。自放电率取决于许多因素，包括基于其设计的电池的电流放电电位，原材料的纯度和质量以及电池制造商控制电池钝化的能力，从而减缓导致自放电的化学反应。

了解钝化

钝化是在锂阳极表面形成的氯化锂(LiCl)薄膜，在电极之间形成高电阻层，从而限制导致自放电的化学反应。当负载放在电池上时，钝化层会产生更高的电阻，这可能导致电池的电压暂时下降，直到放电反应缓慢地去除钝化层。每次删除负载时，这个过程都会重复。

不同的因素可以影响钝化量，包括电池的电流容量、存储长度、存储温度、放电温度和先前的放电条件，因为部分放电电池然后去除负载相对于电池是新的时候会增加钝化量。

更好的电池平衡钝化和能量放电

钝化对于减少电池自放电是必不可少的，但是过多的钝化会在最需要的时候限制能量的流动。相反，较少的钝化允许更大的能量流动速率，但代价是更高的自放电率和更短的工作寿命。

对比钝化对自放电和能量流的影响就像对比开孔大小不同的液体瓶(见图3 - 7和图9):

• 玻璃杯/瓶子的体积相当于电池的容量
• 蒸发/自放电相当于容量损失
• 流量等于流量/能量流量
• 低液体/电解质质量会导致开口堵塞，从而导致流动停止/钝化
• 低液体/电解质质量会导致蒸发/自放电
• Bobbin-type LiSOCl₂电池有非常小的开口
• LiMnO₂碱性电池有“更大的开口”，允许更高的流速，但也导致更快的蒸发/自放电
• 大开口有利于快速流动/放电，但不适合长时间储存液体
• 为了延长使用寿命，需要一个小的开口，以降低蒸发/自放电
• 开口尺寸/电池设计是一个关键问题-太大的开口会导致太多的蒸发/自放电;过小的开口，没有流动，开口可能堵塞(钝化)
• 流体/化学质量是保持低杂质/钝化的必要条件。

如何提供低自放电和高流量/脉冲

远程无线设备越来越需要周期性高脉冲来为双向无线通信和其他高级功能供电。这些要求总是需要额外的电流，因此使用各种方法来节约能源，包括低功耗通信协议(ZigBee, WirelessHART, LoRa等)，低功耗微处理器和更高效的数据采样和传输。

标准筒式LiSOCl₂由于电池的低速率设计，它们不能提供高脉冲。然而，这可以通过使用专利的混合层电容器(HLC)轻松解决。标准筒式LiSOCl₂电池提供低日背景电流，而HLC处理周期性高脉冲。专利的HLC还具有特殊的寿命终止电压平台，可以解释为提供自动低电池状态警报(见图8)。

图6:仅自放电10年和20年(空载)后的剩余体积:XOL TL-49xx系列(a);IXTRA TL-59xx系列和其他制造商，通常不推荐用于需要超过10年使用寿命的应用，其中运行设备所需的平均每日电流加上年自放电率将耗尽电池容量到如此低的程度，以至于影响长期可靠性(b);LiMnO2和碱性电池，高年自放电率使电池寿命不可能达到10年以上(c)。

每年自放电的测试可能会产生误导

具有较高自放电率的电池的长期影响可能在数年内不会变得明显，并且预测实际电池寿命的理论方法通常不足以代表钝化效应以及长期暴露于极端温度下的重要性。

图8:PulsesPlus电池将标准线轴型LiSOCl2电池与专利混合层电容器(HLC)结合在一起，提供双向无线通信所需的周期性高脉冲。图片来源:Tadiran Batteries

例如，准确的长期测试数据对于指定AMR/AMI电表发射器的电池至关重要，因为大规模的电池故障可能会破坏客户计费系统，并禁用远程服务启动和关闭功能。马萨诸塞州斯普林菲尔德市。由于市政当局被迫每年过早地开始更换数千个水表电池，以避免其自动计费系统的大规模中断(参见图10)，因此，该市以惨痛的方式吸取了这一教训。

进一步的考虑

在指定工业级锂电池时，应考虑各种技术要求，包括:在主动模式下消耗的电流量(以及脉冲的大小、持续时间和频率);待机或休眠模式下消耗的能量(基极电流);存储时间(因为存储过程中正常的自放电会减少容量);预期温度(包括储存和现场操作期间);设备截止电压(当电池容量耗尽时，或在极端温度下，电压可能下降到传感器无法工作的点);电池的年自放电率(可以接近平均每天使用的电量)。

高品质的筒式LiSOCl₂电池可以使某些低功率设备运行长达40年，由于极低的年自放电率，实现了低成本的拥有。

在计算预计拥有成本时，请确保包括所有预期费用，包括设备生命周期内的未来电池更换，以及计算与电池过早失效相关的额外成本和风险。

当延长电池寿命是必不可少的时候，请记住，关于电池寿命的理论主张往往是误导性的，因为没有正确测量钝化效应和长期暴露在极端温度下造成的能量损失。所以，做你的尽职调查。

索尔·雅各布斯是副总裁兼总经理，Tadiran电池。

本文发表在应用自动化补充的控制工程和设备工程。

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