Vložíte do vodoměru, alarmu nebo GPS lokátoru nový lithiový článek 3,6V a zařízení přesto hlásí slabou baterii, případně se při odesílání dat restartuje. Multimetr přitom ukáže normální napětí. Ve většině případů nejde o vadný kus, ale o pasivaci: vlastnost chemie Li-SOCl₂, bez které by tyto články nevydržely roky v šuplíku ani v zařízení. Vysvětlujeme, co se uvnitř článku děje, proč to někdy vadí a jak se s tím počítá při výběru.
Co je pasivační vrstva
Článek Li-SOCl₂ (lithium-thionylchlorid, označení ER) má anodu z kovového lithia, která je trvale ponořená v kapalném thionylchloridu. Lithium s ním na povrchu okamžitě reaguje a vytvoří tenký film krystalků chloridu lithného (LiCl). Ten film elektricky izoluje lithium od elektrolytu a další reakce se tím téměř zastaví.
Právě díky tomu mají tyto články tak nízké samovybíjení. Výrobci uvádějí u bobbinových článků méně než 1 % kapacity za rok při 25 °C (EVE ER14505, FANSO ER14505H). Bez pasivační vrstvy by lithium s elektrolytem reagovalo dál, článek by se vybíjel sám a nevydržel by mnoho let v měřidle.
Pasivace tedy není porucha, ale ochranný mechanismus. Potíž nastane, až chceme z článku najednou odebrat vyšší proud.
Napěťový propad při prvním odběru (voltage delay)
Vrstva LiCl má vysoký odpor. Když zařízení po dlouhé nečinnosti zapne zátěž, proud musí vrstvou nejdřív „prorazit“. Napětí na článku proto na začátku spadne níž, než odpovídá jeho stavu, a teprve během odběru se vrstva postupně naruší a napětí se zvedne na běžnou úroveň. Anglicky se tomu říká voltage delay, tedy zpoždění napěťové odezvy.
Jak to vypadá v číslech, ukazuje datasheet spirálového článku FANSO ER14505M. Při zatížení 200mA klesne napětí článku skladovaného rok (nebo 30 dní při 70 °C) na začátku pulzu zhruba na 2,8–2,95V a během několika sekund se vrátí nad 3,2V. U spirálového článku je to mírný průběh. Bobbinový článek stejné velikosti se takovým proudem vůbec zatěžovat nemá: 200mA je u něj nad maximálním pulzním proudem, který výrobci uvádějí (150mA).
Proč zařízení hlásí slabou baterii
Elektronika obvykle neměří napětí naprázdno, ale během zátěže, nejčastěji v okamžiku, kdy vysílá rádiový nebo GSM modul. Pokud napětí v tu chvíli spadne pod práh, který výrobce zařízení nastavil, nastane jedna z těchto situací:
- zařízení zobrazí nebo odešle hlášení „slabá baterie“, i když je článek prakticky plný;
- modul se nestihne spojit se sítí a přenos se nezdaří;
- napětí klesne pod hranici resetu procesoru a zařízení se restartuje, případně se zacyklí v restartech.
Multimetr bez zátěže přitom ukáže obvyklých zhruba 3,6V, protože pasivace se projeví až při odběru proudu. Měření napětí naprázdno proto o pasivaci nic neřekne.
Co pasivaci zesiluje
Vrstva LiCl roste s časem a rychleji roste v teple. Hlavní vlivy:
- Doba skladování. Čím déle článek leží bez odběru (na skladě nebo v zařízení, které celé měsíce jen spí), tím je vrstva silnější.
- Teplota. Teplo urychluje chemické děje v článku. EVE v datasheetu ER14505 ukazuje zrychlenou zkoušku, kde 200 dní při 60 °C odpovídá deseti letům skladování při 25 °C. FANSO doporučuje skladovat v čistu, suchu a chladu, nejlépe pod 20 °C a nejvýš při 30 °C.
- Velmi malý trvalý odběr. Zařízení, které odebírá jen mikroampéry a jednou za čas vyšle silný pulz, vrstvu mezi pulzy nechává zase narůst.
- Chlad při provozu. V mrazu se odpor článku dál zvyšuje, takže se propad při pulzu sečte s vlivem nízké teploty. Více o tom v článku /blog/baterie-v-zime-a-mrazu/.
Z toho plyne praktické doporučení: zásobu článků nekupujte na mnoho let dopředu a skladujte ji v chladné místnosti, ne v autě, na půdě ani u topení.
Proč spirálový článek trpí méně
Články Li-SOCl₂ se vyrábějí ve dvou konstrukcích. Bobbin (cívka) má lithium nalisované po obvodu nádoby a uprostřed válcovou katodu. Plocha mezi elektrodami je malá, článek pojme hodně aktivní hmoty a má nejvyšší kapacitu, ale dodá jen malé proudy. Spirála má elektrody svinuté do role jako v Li-ion článku. Plocha elektrod je mnohonásobně větší, takže se proud rozloží, na každý čtvereční milimetr připadne menší proud a odpor vrstvy LiCl se projeví méně.
Spirálový článek proto lépe snáší pulzy a pasivace se u něj projeví mírněji. Platí za to nižší kapacitou a vyšším samovybíjením.
| Článek (AA, 3,6V) | Konstrukce | Max. trvalý proud | Max. pulz | Samovybíjení (25 °C) |
|---|---|---|---|---|
| EVE ER14505 | bobbin | 40mA | 150mA | pod 1 % ročně |
| FANSO ER14505H | bobbin | 60mA | 150mA | do 1 % ročně |
| FANSO ER14505M | spirála | 400mA | 800mA | do 2 % ročně |
Údaje podle datasheetů a webu výrobců. Pulzní hodnoty platí pro krátké pulzy za podmínek uvedených výrobcem.
Jak se pasivace řeší
1. Správná volba článku
Nejúčinnější je pasivaci předejít výběrem. Pokud zařízení vysílá přes GSM, LTE nebo jiný rádiový modul s odběrem ve stovkách miliampér, bobbinový článek na to není stavěný ani v čerstvém stavu, natož po roce v klidu. Pro takové použití je vhodnější spirálový článek. Pokud špičky zařízení přesahují i jeho pulzní proud, je potřeba kondenzátor (viz bod 3); co přesně zařízení potřebuje, uvádí jeho výrobce. Bobbin patří tam, kde je odběr trvale malý a pulzy slabé: vodoměry s občasným rádiovým odečtem, záložní napájení pamětí, čidla. Podrobně o výběru píšeme v článku /blog/primarni-lithiove-clanky-3-6v-jak-vybrat/ a o konkrétních typech zařízení v článku /blog/baterie-do-meridel-alarmu-a-trackeru/.
2. Depasivace podle doporučení výrobce
Pasivační vrstvu lze narušit řízeným odběrem: článek se na krátkou dobu zatíží definovaným proudem, vrstva se proudem „rozruší“ a napětí pod zátěží se ustálí. Při běžném provozu to ostatně dělá samo zařízení, takže po několika prvních pulzech se chování často zlepší.
Pokud chcete články před instalací depasivovat, postupujte jen podle pokynů výrobce zařízení nebo výrobce článku. Ti znají, jaký proud a jakou dobu článek snese. Univerzální „recept“ v datasheetech EVE ani FANSO neuvádějí, proto ho tu ani nedoporučujeme.
Co nedělat: článek Li-SOCl₂ nikdy nezkratujte, nenabíjejte, nezahřívejte a nerozebírejte. Výrobci výslovně varují před nabíjením, drcením, zahříváním (bobbinové články nad 100 °C, spirálový ER14505M nad 85 °C) i před pájením přímo na článek. Zkrat nebo nabíjení primárního lithiového článku může skončit únikem elektrolytu, požárem nebo výbuchem.
3. Kondenzátor v zařízení
Výrobci zařízení s pulzním odběrem někdy zařazují paralelně k článku kondenzátor s velkou kapacitou (elektrolytický, superkondenzátor nebo hybridní vrstvový kondenzátor). Článek ho mezi pulzy pomalu dobíjí malým proudem a při vysílání dodá špičku proudu právě kondenzátor. Článek tak nemusí dodávat celý pulz sám a pasivace se projeví mnohem méně.
Na trhu jsou i hotové sestavy, kde je kondenzátor spojený s článkem v jednom pouzdře. Jestli vaše zařízení s takovým řešením počítá, zjistíte v jeho dokumentaci. Samotný článek a takovou sestavu bez souhlasu výrobce zařízení nezaměňujte.
4. Čerstvá šarže a rozumná zásoba
Čím kratší dobu článek proleží, tím slabší vrstvu má. Pokud spravujete větší počet zařízení, dává proto smysl nakupovat průběžně a skladovat v chladu.
Jak poznat pasivaci od vybitého nebo nevhodného článku
| Projev | Pravděpodobná příčina |
|---|---|
| Nový článek, hlášení slabé baterie jen při prvních přenosech, pak zmizí | pasivace po skladování |
| Restarty při každém vysílání, i u čerstvého článku | pulz je pro bobbinový článek příliš silný, je potřeba spirála nebo kondenzátor |
| Po letech provozu klesá napětí i naprázdno, hlášení trvá | článek je na konci kapacity |
| Zařízení na 1,5V po vložení článku 3,6V nefunguje správně nebo se poškodí | záměna článku, viz /blog/lithiovy-clanek-3-6v-misto-aa-1-5v/ |
Shrnutí
- Pasivační vrstva LiCl vzniká v každém článku Li-SOCl₂ a je důvodem jeho nízkého samovybíjení.
- Po skladování, zejména v teple, způsobí při prvním odběru dočasný propad napětí. Zařízení měřící napětí při vysílání pak hlásí slabou baterii nebo se restartuje.
- Spirálový článek (například FANSO ER14505M) má větší plochu elektrod a pulzy snáší lépe než bobbin.
- Řešením je správná volba článku, depasivace jen podle pokynů výrobce, kondenzátor v zařízení a skladování v chladu.
- Primární lithiový článek nikdy nenabíjejte ani nezkratujte.
Všechny články Li-SOCl₂, které nabízíme, najdete v kategorii Primární lithiové články, včetně provedení EVE ER14505 s kabelem a konektorem JST PHR-2. Pokud si nejste jistí, zda se do vašeho zařízení hodí bobbin, nebo spirála, napište nám na obchod@baterie-roznov.cz nebo zavolejte na +420 735 346 075. Pomůže, když pošlete typ zařízení a údaje o baterii z jeho dokumentace.