Внутреннее сопротивление литий-тионилхлоридной батареи непостоянно — оно всё время растёт или падает: начинает расти при потреблении маленького или нулевого тока, и начинает падать при потреблении большого тока. При увеличении температуры сопротивление растёт особенно быстро.

Однако, большой ток также уменьшает ёмкость батареи — поэтому батарею нужно использовать либо под неким «оптимальным» током, либо периодически проводить её «тренировку». Иначе, батарею можно загнать в режим пассивации, из которого потом довольно тяжело выйти. Механизм этого явления и методы защиты от него подробнее рассмотрены под катом.

При взаимодействии лития и тионилхлорида на литии образуется плёнка. Тионилхлорид — мощный хлорирующий агент, а литий — очень активный щелочной металл. Конечно, они реагируют с образованием хлорида лития. Хлорид лития, в свою очередь, не растворяется в тионилхлориде и остаётся в виде плёнки на поверхности лития.

Подобный эффект применяется в химической технологии фтора: трубки, по которым течёт фтор (так называемые фторные линии) нельзя делать из стекла — оно прореагирует со фтором с образованием газообразного фторида кремния, и фтор выйдет наружу. Нельзя использовать и пластмассовые трубки — они сгорят вообще моментально. Поэтому используют трубки из никеля: никель реагирует со фтором, но с образованием прочной плёнки фторида никеля на поверхности. То же самое происходит и с алюминием (на самом деле очень активным металлом) на воздухе.

Так вот, эта плёнка хлорида лития прекращает реакцию между литием и тионилхлоридом. Однако с течением времени (при лежании батареи на складе), а особенно при повышенной температуре (на тёплом складе), плёнка растёт и утолщается, увеличивая сопротивление и уменьшая напряжение и рабочий ток. ЭДС же практически не изменяется, поскольку оно не зависит от внутреннего сопротивления батареи — поэтому тяжело определить состояние и «старость» свежекупленной батареи измерением напряжения без нагрузки.

Очень важно, что толщина этой плёнки не постоянна, она зависит от тока, температуры и прочих факторов. Причём даже маленький ток её хорошо растворяет. С другой стороны, высокий ток увеличивает плотность тока на электродах, а это всегда приводит к уменьшению ёмкости батареи. Таким образом, можно подобрать некий оптимальный небольшой ток, разрушающий плёнку — но и не слишком высокий, т.е. не уменьшающий ёмкость батареи.

Быстро разрушить такую плёнку может деформация корпуса, или сильный ток. То есть, казалось бы — долго лежавшую батарею подключаем на десять секунд к мощному резистору в 10 Ом — и плёнка разрушена, а батарея как новая. Но не всё так просто, по двум причинам:

  1. При нахождении в микропотребляющем устройстве ток меньше оптимального вызывает нарастание плёнки хлорида лития — и батарея не выходит из режима пассивации, а наоборот, только погружается в него (именно отсюда падение ёмкости при малом токе!).
  2. Плёнка может нарасти так сильно, что её сопротивление не даст обеспечить необходимый для её растворения «ударный ток». И из этой ситуации уже тяжело выйти — например, можно давать несколько импульсов максимально возможного тока, в надежде что плёнка постепенно растворится. Либо постучать по батарее, но это невозможно сделать автоматическим образом :)

Таким образом, при эксплуатации литий-тионилхлоридной батареи нужно не забывать проводить её «активацию» — допустим, раз в 1-3 месяца или полгода разряжать батарею высоким током. С этой точки зрения наоборот, не нужно ставить ионистор или ёмкий конденсатор для питания GSM-модема: частые 2-амперные импульсы тока надёжно уведут батарейку из режима пассивации.

Можно проводить «умную» тренировку батареи: периодические импульсы высокого тока (порядка 200мА) с контролем напряжения батареи. Тренировка заканчивается когда напряжение под тестовой нагрузкой в 5мА превысит 3.4В. В некоторых источниках советуют пороговое напряжение в 3В, но на мой взгляд этого недостаточно. С другой стороны, такая тренировка расходует заряд батареи, и при критичном отношении к заряду можно ограничится и меньшим пороговым напряжением. В любом случае, даже неполное растворение плёнки улучшит параметры батареи и продлит её жизнь.

Конечно, очень важно обеспечить низкую температуру батареи — по крайней мере, поместить её дальше от тепловыделяющих компонентов. Это значительно уменьшит скорость образования плёнки. Тут всё ясно, по закону Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10°C скорость реакции __увеличивается в 2-4 раза. Так и в этом случае: получилось удалить батарею от тёплых компонентов — скорость роста плёнки упала в 3 раза. А поскольку мы рассматриваем равновесие «образование плёнки за счёт реакции литий-тионилхлорид» : «разрушение плёнки током», то если скорость роста плёнки упадёт в три раза, она станет меньше скорости разрушения её током, и плёнка вообще перестанет расти. А это значительно упростит все мероприятия.

До сих пор я говорил о пассивации как об однократном явлении после долгого хранения батареи. Но нет, она происходит всякий раз когда питаемое устройство выключается или переходит в микропотребляющий режим на долгий срок. Если после этого потребовать от батареи большого тока — из-за высокого сопротивления наросшей плёнки напряжение кратковременно (до момента разрушения плёнки) просядет. Просесть оно может даже до 2.5 вольт, а это уже критично для многих устройств. Поэтому — либо небольшая тренировка перед ответственными сильнопотребляющими заданиями, либо установка буферной ёмкости в виде электролитического конденсатора.

Контроллер разряда

Учитывая все эти особенности, представляется логичным создание схемы контроллера разряда (почему их всё ещё нет в серии bq у Nexas Instruments?). Повторим основные его функции:

  • При недолгом хранении — ничего не делать, чтобы не тратить заряд и не разрушать защитную плёнку. На этом этапе её наличие действительно продлевает срок жизни батареи.
  • При долгом хранении — периодически проверять состояние батареи, а именно напряжение при токе 5 мА (или другом оптимальном токе). В случае критического ухудшения параметров — тренировка достаточным током, однако нельзя допускать сильного нагрева.
  • При разряде средним током ниже оптимального — проводить периодические тренировки.
  • Для уменьшения кратковременного проседания напряжения под сильным током — поставить довольно ёмкий конденсатор параллельно батарее.
  • Записывать заряд, израсходованный к текущему моменту, во внутреннюю память.

Записывать количество всех проведённых тренировок во внутреннюю память.