Batterien Lithium-Thionylchlorid-Batterien für Langzeitanwendungen

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Lithium-Thionylchlorid-Batterien sind auf die Anforderungen der neuen Generation von mikroelektronischen Geräten zugeschnitten. Doch welche charakteristischen Eigenschaften und Vorteile bietet dieses Batteriesystem?

Lithiumbatterien des Systems Lithium-Thionylchlorid (LTC) sind für Langzeitanwendungen mit hohen Ansprüchen an Zuverlässigkeit, Raumbedarf und Energieinhalt ausgelegt. Zum Einsatz kommen sie beispielsweise in CMOS-Speichern, Verbrauchszählern, Kfz-Systemen, Alarm- und Sicherheitssystemen, medizinischen Geräten, der Industrieautomation sowie dem Internet der Dinge (IoT) als leichte und sichere Energiequellen. Dabei verfügen sie über einige typische Merkmale.

Konstante Spannung während der Entladung

Bei Lithium-Thionylchlorid-Batterien am Beispiel des Batterieherstellers Tadiran bleibt die Spannung während der Entladung in der Regel konstant, wobei die Entladekurve typischerweise rechteckig ist (Bild 1). Bei der Entladung mit mittleren Strömen kann ein geringfügiger Abfall der Spannung auftreten, der auf den Anstieg des Innenwiderstandes zurückzuführen ist. Wird die Entladung unterbrochen, geht die Spannung stets auf den Ursprungswert zurück. Dadurch ist es möglich, praktisch annähernd die gesamte verfügbare Kapazität der Batterie auf einem Spannungsniveau von deutlich mehr als 3 V zu nutzen.

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Der Entladestrom bestimmt die verfügbare Kapazität

Die verfügbare Kapazität einer LTC-Batterie hängt generell vom Entladestrom beziehungsweise der Entladedauer ab (Bild 2). Im Nennbereich des Entladestroms erreicht die verfügbare Kapazität ihr Maximum. Bei kleineren Strömen ist aufgrund der längeren Entladedauer die Selbstentladung zu berücksichtigen, sodass sich die verfügbare Kapazität entsprechend verringert. Bei höheren Entladeströmen reduziert sich der Wirkungsgrad der Entladung vermehrt durch Effekte, die durch die Geschwindigkeit des Ionentransports hervorgerufen werden. Dadurch nimmt der Innenwiderstand zu und die verfügbare Kapazität ab. Öffnet man eine Zelle, die mit einem hohen Strom entladen wurde, zeigt sich Folgendes: Entladeprodukte, die sich bei einem kleinen oder mittleren Strom über das gesamte Porenvolumen verteilen würden, blockieren nun die ersten Schichten der Kathodenporen. Es ist also davon auszugehen, dass die Abnahme des zugänglichen Porenvolumens der Kathode mitunter zu einer Verringerung der Kapazität bei hohen Entladeströmen führt. Dieser Strom, bei dem die Batterie noch 76 Prozent ihrer Sättigungskapazität liefert, trägt oft die Bezeichnung Standardstrom. Übersteigt der Strom diesen Wert, ist die Batterie überlastet.

Entladeszenario bei der Pulsentladung

Das Entladeszenario bei der Pulsentladung besteht in der Regel aus einem kleinen, kontinuierlichen Grundstrom mit periodischen oder zufälligen kurzen Pulsen auf höherem Stromniveau. Das Tastverhältnis, also das Verhältnis zwischen An- und Auszeit, reicht im Allgemeinen von 1:10 bis 1:10.000 (Bild 3). Dieser Wert beeinflusst auch die Höhe der verfügbaren Kapazität: Ist er groß (1:10), wird nahezu die verfügbare Kapazität erreicht, die der Amplitude des Pulsstromes entsprechen würde. Bei kleinen Tastverhältnissen (1:10.000) nimmt die verfügbare Kapazität zu und nähert sich dem Wert, der dem Durchschnittsstrom entspricht.

Lagerfähigkeit und Betriebsdauer

Das Langzeitverhalten von Lithium-Thionylchlorid-Batterien mit den üblichen Methoden der beschleunigten Alterung zuverlässig vorauszusagen, ist nahezu unmöglich. Es gibt jedoch drei Methoden, die zu verwertbaren Aussagen führen. Dazu zählen die tatsächliche Langzeitentladung, die Extrapolationsmethode und die Mikrokalorimeter-Methode.

Die genaueste und zuverlässigste Methode ist die tatsächliche Langzeitentladung, auch wenn diese sehr zeitaufwändig ist. Tadiran hat hier beispielsweise eine umfangreiche Datenbasis zusammengestellt, die für den hauptsächlichen Bereich von Umgebungsbedingungen und Lebensdaueranforderungen eine Voraussage zulässt, welche Lagerfähigkeit und Betriebsdauer zu erwarten ist (Bild 4).

Die anderen beiden Methoden lassen sich anwenden, wenn die Ergebnisse schneller benötigt werden und sich der Bezug zu vorhandenen Daten aus der tatsächlichen Langzeitentladung herstellen lässt. Beide Methoden können die Testdauer auf etwa 10 bis 30 Prozent der tatsächlichen Lager- oder Betriebsdauer beschleunigen, die für die betreffende Anwendung erforderlich ist.

Alle Methoden ergeben übereinstimmend, dass bei Raumtemperatur LTC-Batterien der Baureihen SL-300 bzw. SL-800 von Tadiran einen Kapazitätsverlust bei der Lagerung von weniger als ein Prozent pro Jahr aufweisen, wohingegen dieser bei der Baureihe SL‑700 bei zwei Prozent pro Jahr liegt. Die Selbstentladung bei gleichzeitiger Entladung ist wie erwähnt vom Entladestrom abhängig und beträgt zwei bis vier Prozent pro Jahr bei einer Betriebsdauer von zehn Jahren.

Abhängigkeit der Kapazität von der Gebrauchslage

Die verfügbare Kapazität hängt sowohl von der mechanischen Bauweise und den Systemeigenschaften als auch in gewissem Maße von der Gebrauchslage ab. Im Bereich des Nennstroms wird die verfügbare Kapazität praktisch nicht durch das Entladen der Batterien in aufrechter oder liegender Position beeinflusst. Bei kleinem Entladestrom oder bei seltenen Pulsen mit hohem Strom entspricht die Kapazität bei horizontaler Gebrauchslage praktisch der bei aufrechter Lage. Bei hohem Strom ist die verfügbare Kapazität der kleinen Zellen und Flachzellen zwar unabhängig von der Gebrauchslage, die verfügbare Kapazität der großen Zellen ist jedoch geringer, wenn sie über Kopf entladen werden. Daher ist diese Gebrauchslage möglichst zu vermeiden. Bei gelegentlichem Bewegen der Zellen während der Entladung verhält sich die verfügbare Kapazität aller Zellen unabhängig von der Gebrauchslage.

Temperaturabhängigkeit und Umgebungsbedingungen

Im Allgemeinen besitzt die Temperatur einen Einfluss auf die Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyt und auf die Morphologie des Schutzfilms (Passivierungsschicht). Dadurch nimmt die Strombelastbarkeit der LTC-Batterien mit steigender Temperatur zu. Dieser Effekt wird jedoch zu einem gewissen Grad durch die stärkere Passivierung während der Lagerung und die höhere Selbstentladung im Betrieb kompensiert. Der Nennbereich der Betriebstemperatur reicht für die meisten Lithium-Thionylchlorid-Batterien der Tadiran-Baureihen von –40 bis 85 °C. Bei Überschreiten dieses Temperaturbereiches nach oben kann es zu einer leichten Ausbeulung kommen, wobei ein typischer Wert hier 1 mm Ausdehnung in Längsrichtung bei 100 °C entspricht. Dieser Anwendungsfall liegt allerdings außerhalb der zugelassenen Spezifikation und ist rein informativ! Insbesondere im Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen verfügen die Batterien über außergewöhnlich leistungsstarke Merkmale. Bei einer Testentladung von zehn Batterien außerhalb der Spezifikation des Types SL-550 (½AA, Hochtemperaturvariante) bei 150 °C Dauertemperatur an einer Last von 560 kΩ, was einem mittleren Strom von 6 μA entspricht, funktionierten die Batterien mehr als fünf Jahre lang und erreichten dabei 65 Prozent ihrer Nennkapazität (Bild 5).

Aufgrund ihrer zuverlässigen und robusten Konstruktion können LTC-Batterien zudem unter extremen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen. Ihre Verschlussmethode und die allgemeinen Eigenschaften erlauben die Lagerung und den Betrieb ohne Einbußen in jeder Höhenlage von der Erde bis zum Weltraum. Sie halten unter anderem einem 20-fachen Atmosphärendruck sowie statischen Kräften von bis zu 200 N auf den Pluspol stand. Auch für die normalen Schwingungen beim Transport und im Betrieb sind die Batterien ausgelegt und können daher in jeder Art von Transportmittel sowie in elektronischen Geräten, sogar zur Reifendruckkontrolle bei Formel-1-Rennwägen, Verwendung finden.

In zwei Bauformen verfügbare LTC-Batterien

Lithium-Thionylchlorid-Batterien von Tadiran werden in zwei unterschiedlichen mechanischen Bauweisen hergestellt: der zylindrischen Bobbin-Version sowie als Flachzellen. Beide Bauformen unterscheiden sich in Länge und Durchmesser sowie in der Art der Anordnung von Anode und Kathode zueinander. Erhältlich sind sie in diversen Größen von ½AA bis DD sowie mit verschiedenen Anschlussarten und lassen sich fest in den Schaltkreis einbauen. Dabei halten sie meist für die gesamte Lebensdauer eines Gerätes.

Über den Distributor Schukat Electronic, der nun seit über einem Jahr das System des Batteriespezialisten führt, ist eine umfangreiche Produktpalette an LTC-Batterien von Tadiran erhältlich. Schukat bietet Kunden zudem einen persönlichen fachlichen Support über sein technisches Vertriebsteam bei allen Fragen zum Thema Batterien an.

* Lisa Gelbhaar ist Junior Product Manager Components bei Schukat Electronic.

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