Фирма Catalyst Research с 1972 г. выпускает батареи на основе системы литий — иод, которые первоначально предназначались для питания кардиостимуляторов и других устройств, вживляемых в человеческий организм. Фирма производит 70 % потребляемых в мире батарей для кардиостимуляторов. Согласно документации фирмы, емкость этих батарей в четыре раза превышает емкость ртутно-цинковых батарей для кардиостимуляторов типа RM-1 фирмы Mallory (см. гл. 4). Кроме того, литий-йодная батарея при температуре человеческого тела работает более эффективно, чем при комнатной температуре.

Поскольку при химической реакции между иодом и литием выделения газа не происходит, элементы можно герметизировать. Отличительной чертой батарей этого типа является их исключительно высокая надежность. К моменту завершения работы над этой книгой фирма Catalyst Research выпустила 150 000 батарей для кардиостимуляторов, и среди них не оказалось ни одной негодной или преждевременно вышедшей из строя.

Батареи отличаются от других типов литиевых батарей следующими особенностями: 1. Не содержат жидкого электролита. 2. Не требуют использования специального материала — сепаратора для предотвращения контакта анода с катодом. 3. Общий объем элемента остается неизменным в процессе разряда, не происходит ни вздутия, ни усадки элемента. 4. Элемент герметизирован при помощи сварки металлических частей и вывода электрических контактов через спаи металл — стекло. 5. При реакции не образуется газов, и нет выброса газов из элемента. В серии «800» элементов, выпускаемых фирмой Catalyst Research, использован принцип «литиевой оболочки». Конструкция элемента содержит расположенный по центру катодный токовый коллектор и литиевую оболочку, которая вторую оболочку для помещения деполяризатора. Коррозионное воздействие иодосодержащего деполяризатора на нержавеющую сталь меньше, чем деполяризаторов на основе более активных галогенов, таких, как бром или хлор. Факторы, которые приводят к выходу батареи из строя, воздействуют довольно медленно. Работа батареи не нарушается при повреждении сепаратора, поскольку слой йодистого лития имеет свойство самовосстанавливаться. Не существует также опасности утечки электролита, так как последний находится в твердом состоянии. Электрохимическая ячейка формируется тогда, когда литиевый анод приходит в контакт с катодом, образованным смесью иода и поли-2-винилпиридинового (P2VP) деполяризатора, имеющего формулу Первоначальная химическая реакция между этими компонентами приводит к образованию третьей компоненты, необходимой для любой ячейки, — электролита (в данном случае твердого йодистого лития). Когда осуществляется отбор тока от ячейки, литий окисляется, а иод восстанавливается с образованием дополнительного количества йодистого лития. Йодистый литий, который служит как электролитом, так и сепара-802/35 Т0Р0М> накапливается по мере разряда элемента, увеличивая его внутреннее сопротивление. В результате этого разрядная кривая с самого начала идет с наклоном (рис. 9.2). В дальнейшем, когда поли-2-винилпиридин потеряет большую часть иода, начнется рост сопротивления самого катода. Это проявляется в виде излома, который можно видеть на графике зависимости напряжения от времени для батареи, предназначенной для кардиостимулятора (рис. 9.2). Резкий излом — это аппроксимация наихудшего варианта разрядной характеристики. При разряде на нагрузку 90 кОм должно пройти не менее 5 мес, прежде чем импеганс элемента возрастет с 15 до 40 кОм. Все технические данные батареи модели 802/23 для кардиостимулятора фирмы Catalyst Research приведены в табл. 9.1. Проектируемые электрические характеристики на период 18—20 лет показаны на рис. 9.3. На рис. 9.4 приведены разрядные характеристики элемента S23P-15. Наибольший из изготавливаемых элементов данной серии — это элемент D27P-20 емкостью 0,25 А-ч, который можно использовать в устройствах с индикацией на жидких кристаллах, имеющих большой срок службы, или в электронно-механических часах с шаговым двигателем. Этот элемент может быть идеальным источником питания для калькуляторов, где при величине отбираемого тока, равной 50 мкА, он смог бы обеспечить работу в течение 5000 ч на протяжении более чем 10-летнего периода эксплуатации. Характеристики элемента D27P-20 приведены на рис. 9.5. Фирма Catalyst Research выпускает также батареи емкостью 460 мА-ч (тип 2736) и 870 мА-ч (тип 3740). Литий-йодные батареи обеспечивают удельную энергию по объему, превосходящую в 1,5—2 раза тот же показатель для обычных батарей, а удельная энергия по массе батарей в три раза выше, чем у обычных дисковых батарей, например ртутно-цинковых. Еще более важным является такое свойство, как способность сохраняться в течение 10 лет, в то время как обычные батареи имеют ожидаемый срок хранения 2—3 г. Это свойство открывает существенно новые возможности как перед пользователями, так и перед конструкторами. Например, становится возможным создать калькулятор или наручные часы с 10-летним непрерывным сроком службы, токи. Такое свойство можно использовать для создания источников питания для часов или калькуляторов, подзаряжаемых от солнечного света. В настоящее время выпускается много различных литиевых элементов, предназначенных для часов и калькуляторов, однако конструктор должен быть внимательным при выборе подходящего литиевого элемента для проектируемого им устройства. Должны быть приняты во внимание такие факторы, как надежность, удельная энергия, внутреннее сопротивление и герметичность. Поскольку почти все литиевые элементы наилучшим образом работают тогда, когда имеют большую площадь электродов, фирма Catalyst Research предложила стандартные размеры для дисковых литиевых элементов, включающие три значения диаметра (19, 23 и 27 мм) и набор значений толщины от 1 до 3 мм через каждые 0,5 мм (табл. 9.2). Преимущества этого стандарта для конструирования очевидны стеклопорошка и последующим спеканием с металлической вставкой. Напряжение элемента (на разомкнутых электродах) равно 2,8 В, максимальная рабочая температура составляет ~150°С, скорость саморазряда равна ~5 % за 10 лет при 25°С. Применявшаяся ранее батарея типа D34 может поддерживать напряжение 2,8 В в течение 6 нед непрерывного разряда током 10 мА при 130°С. Выпускается также элемент типоразмера D модели CRC Li D2,8 (2,8 В) емкостью 14 А-ч при 25°С; его рабочие температуры лежат в диапазоне —20-Ь+50°С. Элемент имеет следующие габариты: высота 33,8 мм, толщина 57,1 мм; его масса равна 80 г. Скорость саморазряда элемента не превышает 5 % в год, он выдерживает сильные удары, вибрации и короткие замыкания при температурах до 150°С. При этом не происходит стравливания внутреннего давления, утечки активных веществ, вздутия или взрыва. Напряжение на элементе остается постоянным и равным 2,8 В при разряде в течение 18 мес током 1 мА (при 25°С) и находится в пределах 2,7—2,8 В при разряде током 2 мА в течение 8 мес. Литий-йодный элемент — это пример высоконадежного литиевого источника энергии, хорошо зарекомендовавшего себя в кардиостимуляторах. Элемент выпускается в нескольких модификациях. Одни из них предназначены для наручных часов (с индикацией на жидких кристаллах и электронно-механических с шаговым двигателем), другие — для калькуляторов с индикаторами на жидких кристаллах и малым потреблением тока. При применении элемента в часах срок его службы может достигать 10 лет, тогда как при использовании в калькуляторах суммарное время работы элемента составляет 5000 ч за период 10 лет.