Литий титанатные аккумуляторы

Устройство

Корпус батареи.

Корпус батареи делают из пластика, композиционного материала, иногда из цветного металла. Многие модели оснащены металлическими клеммами – они необходимы для контакта внутренних стержней с положительным, отрицательным напряжением и энергопотребителем. Визуально АКБ выглядит как призма, цилиндр. Контакт «плюс» находится сверху, «минус» – снизу.

Ключевое отличие от литий-ионной батареи в том, что угольный (графитовый анод) заменили химическим соединением, в основе которого – титанат лития. На подложку по особой технологии наносят сверхтонкие слои (15 нм) окиси титана. Впоследствии все это обжигают высокой температурой, и получается трехмерная структура, характерная развитыми крошечными полостями, с которыми обеспечивается увеличенная площадь поверхности. Вместе с этим химическая реакция между электродами и электролитом протекает как в поверхностном слое, так и по всему объему материала.

Как устроены и как работают LTO аккумуляторы

Для начала вспомним основы — что такое анод? Анод — это электрод на котором происходит окислительная реакция — он отдаёт электроны. Именно анод определяет продолжительность эксплуатации и степень безопасности электронакопителя. Поэтому главной фишкой «титановой технологии» является плюсовой электрод, изготавливаемый по-особому.

На подложку посредством метода осаждения наносятся атомарные слои оксида титана, имеющие толщину менее 15 нанометров. После процесса обжига при температуре 400 градусов в течение часа, они приобретают уникальную, объёмную полую структуру, которая состоит из большого числа полых лент и больших полостей высотой до тридцати нанометров и шириной до 150. Трёхмерная поверхность очень большой площади рассчитана таким образом, чтобы внутрь непринуждённо проникал электролит, взаимодействующий со всей поверхностью материала и осуществляющий транспортировку положительно заряженных ионов лития.

Для изготовления катода, как правило, используют соединения кобальта LiCoO2. Контактируя с кислородом, катода ионы лития отдают заряд и делаются нейтральными, вновь осаждаясь на аноде.

Внешний вид LTO батареи не имеет каких-то особенностей и выглядит традиционно. Для упаковки всех компонентов применяется пластик, цветной металл либо композиты. Корпуса исполнены в виде цилиндра либо призмы с прямыми углами. Разработчики позаботились об упрощении и улучшении соединения титановых АКБ, поэтому многие модели имеют в своём распоряжении клеммы.

Технические характеристики литий титанатных аккумуляторов

Зарубежные и российские производители стараются придерживаться одного стандарта, этим определены следующие характеристики:

• 30 – 110 Вт/кг – накопление энергии;
• при максимальной нагрузке устройство выдает удельную мощность от 3 000 до 5 100 Вт/кг;
• не более 177 Вт*ч/л плотность заряда;
• номинальное напряжение – 1,9 – 2,4 В, предельное разрядное – 1,5 В – 1,7 В;
• циклическая эффективность «заряд-разряд» при низких токах колеблется в пределах 95%, при более высоких понижается до 85%;
• 100 000 сохраняет 90% емкости батареи, 20 000 – 80%, некоторые производители сумели поднять последний показатель до 40 000 циклов разряд-заряд.

Аккумуляторы, произведенные на основе LTO способны работать при условиях сильного мороза (от минус 40 °С) и при сильной жаре (до плюс 55 °C). Саморазряд батареи за месяц от 2% до 5%. Гарантийный срок службы некоторые производители определяют более 10, а то и 20 лет, в зависимости от модели.

Принцип работы

В работающей батарее протекает реакция. В это время ток копится и отдается, причем в одно время, и куда быстрее, чем в АКБ, сделанных по иной технологии. Время, необходимое для полной зарядки – всего 6 – 10 минут. К тому же работающий источник питания не греется, что исключает вероятность перегрева. Что до самого принципа работы, он практически идентичен Li-Ion разновидностям.

«Минусовой» электрод представляет собой слоеный графит. Процессы, проходящие в нем, беспорядочны: атомы, заряженные током, двигаются по матрице и сохраняют напряжение. В ходе разрыва ионы лития связываются с кислородом, а когда проходят через катод – вырываются наружу. Ионы лития после подзарядки теряют изначальное напряжение и оседают на аноде, пока не произойдет следующая зарядка. В ходе подзарядки процесс повторяется, но уже в обратном порядке. Внутри корпуса работающей батареи накапливаются газы, которые удаляются через вентиляционные отверстия или вместе с выхлопами.

Российский аккумулятор, сделанный по технологии LTO, имеет те же характеристики, что и зарубежный, что соответствует стандартам. Эксплуатационные параметры:

Характеристики АКБ.

• энергоемкость – от 30 до 110 Вт/кг;
• номинальное напряжение – от 1.9 до 2.4 В;
• предельное напряжение при разряде – от 1.5 до 1.7 В;
• плотность заряда – до 177 Вт х ч/л;
• удельная мощность при предельной нагрузке – от 3 до 5.1 кВт/кг;
• циклическая эффективность зарядки-разрядки – с низкими токами доходит до 95%, с высокими – до 85%;
• диапазон эксплуатационных температур – от -40 до +55° Цельсия;
• саморазряд – за месяц теряет 2 – 5%;
• снижение энергоемкости – после 10 тысяч циклов зарядки-разрядки теряет 10%, после 20 тысяч – 20%;
• ресурс – некоторые производители выпускают батареи, выдерживающие порядка 40 тысяч циклов зарядки-разрядки.

Где купить

Самая популярная емкость для титанат-батарей, используемых в различных АКБ, – 40 АЧ. Чаще всего такие модели имеют стандартное количество циклов перезаряда (20 700) и годятся для последовательного соединения в банки больших размеров.

Перед покупкой стоит убедиться в добросовестности продавца. Иногда под видом новых продают списанные аккумуляторы.

Быстро найти необходимый ассортимент на сайтах торговых площадок можно по поисковому запросу LTO или Lithium-Titanate.

Помимо стандартных и распространенных типоразмеров присутствуют и более нишевые: в виде плоских гибких или защищенных жесткими листами ячеек, в форме стандартных батареек. Есть также уже готовые собранные аккумуляторы и блоки питания в корпусах.

Там же нетрудно найти и специальные зарядные устройства, рассчитанные на постоянный ток, нужные напряжение и силу тока.

Сколько стоит конкретный титанат-литиевый аккумулятор, зависит еще и от цены доставки: продавцы пользуются услугами различных почтовых организаций и курьерских служб. Поэтому стоимость в итоге может серьезно отличаться.

Использование

Высокие энергетические характеристики титанатных аккумуляторов дают им преимущество при использовании в качестве тяговых на электрическом транспорте. Возможность быстрой зарядки позволяет упростить и сделать более эффективной систему рекуперативного использования энергии. Рекуперация на электрическом транспорте означает преобразование энергии, затрачиваемой на снижение скорости, обратно в электрическую, возвращаемую в аккумулятор. На практике это действует так:

• при торможении или снижении скорости тяговый электродвигатель, в силу обратимости, начинает работать как генератор;
• схема контроля и управления преобразует сгенерированную электроэнергию в пригодную для заряда;
• происходит зарядка аккумулятора.

Данная система способствует увеличению продолжительности поездки между интервалами подзарядки и увеличивает эффективность торможения.

Возможность отбора от батареи высоких значений разрядного тока положительно сказывается на динамических характеристиках электрических транспортных средств.

С тем же успехом титанатные источники питания могут использоваться в гибридных автомобилях, в которых силовая установка включает в себя обычный двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель постоянного тока с питанием от аккумуляторов.

Как осуществляется производство LTO аккумуляторов

Многие производители (Seiko, YABO, Toshiba, Altair Nanotechnologies) постепенно начинают внедрять производство Lithium Titanium Oxide, на основе современной LTO (оксид титана) технологии. Работая по данной технологии производители сумели получить достаточно развитую нанокристаллическую структуру анода, что собственно и стало основным преимуществом изделий.

В отличие от пористого углерода, используемого при создании других видов литиевых аккумуляторов, нанокристаллическая структура позволяет большую площадь анода сделать «полезной», обеспечивая стабильность работы поверхности. Например, LTO технология позволяет получить эффективную площадь поверхности анода приблизительно в 100 м²/г, в то время как при углеродных анодах данный показатель около 3 м²/г.

Благодаря высокой площади анода, заряд переносится намного быстрее, характеристики допустимых токов выше. Все это обеспечивает продолжительность работы устройства, стабильность и безопасность эксплуатации.

Немного истории

Технологию начали обкатывать ещё в 2011-ом году: в Японии литий-титанат АКБ ставили на городские автобусы, обслуживающие самые длинные маршруты. К 2016-му году, экспериментальные автобусы суммарно накрутили более 700 тыс. км и у самых первых из них, число циклов перезарядки дошло до 2 тыс. при снижении ёмкости в 3%. Напряжение данных аккумуляторов достигало 560 V, а ёмкость — 100 Ah. Заряжаются они посредством выпрямителя на 400 кВт, который присутствует на специально оборудованных станциях зарядки.

Сегодня же, LTO накопители можно встретить и на электрокарах, и на электробайках. К примеру i-MiEV от Mitsubishi и Fit EV производства Honda, оборудованы именно титановыми АКБ.

Учёные искали новые пути развития технологии по причине несовершенства Li-ion и LiFePO4 аккумуляторов. Разработчики считали, что их срок эксплуатации мог бы быть и побольше, безопасность могла бы быть выше, да и способность эффективно работать в узком диапазоне температур тоже не мешало бы повысить. Были исследованы соединения титана и лития, и по итогу, как самое выгодное вещество, выделили титанат.

Литий-ионные аккумуляторы системы LMO – Li4Ti5O12 (литий-титанат)

Низкая химическая активность электролита предотвращает появление слоя межфазного электролита (SEI), тем самым увеличивая диапазон рабочих температур и безопасность.
Способность  литий титаната поглощать молекулы кислорода в широком температурном диапазоне уменьшает риск термального разрушения и повышает безопасность.
Химические свойства литий титаната предотвращают появление и рост дендритов, тем самым снижая риск внутреннего короткого замыкания.

2.Физическая стабильность структуры наноматериала анода Li4Ti5O12

Разница в площади  поверхности активных масс составляет 103.  
Физическая стабильность структуры анода достигается тем, что ион лития при токообмене не разрушает и не изменяет морфологическую структуру кристаллической решетки активной массы.
Эта особенность структуры позволяет получить максимальное количество циклов заряд-разряд- до 1 000 000 при 10 % разряде и до 10 000 000 при 3-4% разряде при сроке службы 20-30 лет и многоразовом дневном заряде-разряде. При разряде в 80-100% количество циклов заряд-разряд соответствует 16-18 000, что соответствует 30 летней эксплуатации при цикле один раз в день.
Разряд и заряд токами до 10С ( где С- емкость элемента)

Такую стабильную емкость не имеет ни один из известных гальванических элементов. Способность данной системы производить такое количество циклов заряд-разряд  и возможность заряда-разряда максимально возможными токами (80% заряда можно получить за 10 минут) без ущерба структуре и целостности источника тока даже при низких температурах делают этот продукт уникальным.

Возможность заряда-разряда при предельно низких ( до -50 С) и предельно высоких температурах ( испытаны при + 50 С)

Сохранение работоспособности при + 240 С.

Тестирование целостности и сохранения электрических параметров аккумулятора при 240 C

Основные экономические показатели:
nLiTiO  приносят больший экономический эффект чем другие аккумуляторы

Для выполнения различных задач мы используем как ячейки по 13А.h и 64 А.h ALTAIRNANO номинальным напряжением 2.26 V, так и готовые модули- 60 A.h, номинальным напряжением 25 V.
Таблица характеристик продукции ALTAIRNANO:

Благодаря физико-химическим особенностям конструкции, данный тип аккумулятора обладает предельно низким значением саморазряда (очень важно для арсенального хранения- 30 лет) и полноценной работой при глубоких минусах, что играет существенную роль при использовании в климатических особенностях России.
Нашей компанией впервые в мире разработана и  применена в изделиях система модифицированного композита LTO энергоемкостью 120 Вт*час/кг в ячейках 10 и 40 А*час.Производятся испытания.
ЭТО УЖЕ РОССИЙСКАЯ РАЗРАБОТКА И ТЕХНОЛОГИЯ ИМЕЮЩАЯ АБСОЛЮТНУЮ ПАТЕНТНУЮ ЧИСТОТУ И МОЩНЫЙ ЭКСПОРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

Производители и ассортимент литий-титанат АКБ

Технология относительно свежая, поэтому ещё не получила такое распространение как традиционные Li-ion батареи. На рынке «титановая» продукция представлена скромным количеством брендов, среди которых очевидным лидером является Toshiba. Японские маркетологи без сомнений своё дело знают, поэтому и название совершенной продукции подобрали соответствующее — Super Charge Ion Battery (SCiB).

Литий-титанат аккумуляторы от Тошиба могут предложить юзерам ёмкость 2,9-23 Ah, количество циклов зарядки/разрядки — до 40 тыс. и при этом, ёмкость не упадёт ниже отметки 70%. Кроме того, у продукции Toshiba имеется возможность функционировать в буферном режиме: время, которое будет затрачено на заряд, составляет 1-6 минут. У японцев есть и свои собственные наработки по усовершенствованию анода. Так, в его состав был внедрён оксид ниобия.

Литий-титанат с добавкой даёт возможность подзаряжать электронакопитель до 90% за пять минут. Удельная ёмкость в два раза выше чем у титановых изделий и это позволяет разработчикам уменьшить габариты элементов питания и приблизится тем самым по показателю удельной энергии к литий-полимерным батареям.

Далее речь пойдёт тоже о японцах. Так, известный бренд по производству часов Seiko, в наручных кинетических моделях применяет титановые батарейки малых размеров, которые пришли на смену конденсаторам.

Не отстают от азиатов и европейцы, в лице швейцарцев. Фирма Leclanché, занимающаяся изготовлением аккумуляторов с 1939-го года, взяла на вооружение передовую технологию после покупки в 2006-ом году немецкой компании Bullith AG. Швейцарское изделие носит название TiBox — это многоразовые источники питания в распоряжении которых литий-титанат анод мощностью 3,2 kW и ресурс до 20 тыс. циклов.

А что же американцы, молчат? Отнюдь! Фирма Altairnano дислоцирующаяся в штате Nevada, занимается производством линейки элементов питания Nanosafe, предназначенной для электрокаров. По официальным заявлениям, их литий-титанат аккумуляторы желают установить на свои электрические машины многие автопроизводители, среди которых числится и такой популярный английский производитель спортивных машин как Lightning Car Company. Среди желающих, американская студия Phoenix Motorcars, преобразующая корейские автомобили от бренда SsangYong в электрифицированные модификации. И довершает технологическую мощь страны первого мира контора из Калифорнии, Proterra, со своим автобусом на электрической тяге EcoRide BE35, которая также заявила о том, что хочет применять на своём транспорте продукцию от Altairnano.

Трудолюбивые и хитрые китайцы, также не могли упустить возможность урвать свою долю на мировом рынке аккумуляторных батарей. Предприятие YABO Power Technology, произвело свою первую литий-титанат батарею ещё в 2012-ом году. Их передовые электронакопители используются в основном в автотранспорте. Здесь можно выделить YB-LITE2344, с 2,4-вольтным штатным напряжением и ёмкостью 15 Ah.

Бренды и использование

Альтаирнано

Альтаирнано производит литий-титанатные аккумуляторы линии «Наносафе», в основном для аккумуляторные электромобили. Производители автомобилей, объявившие о планах использования аккумуляторов Altairnano, включают: Компания Lightning Car, который планирует использовать их для Молния GT, полностью электрический спортивный автомобиль;Phoenix Motorcars, для использования в его электрических внедорожниках; и Протерра, в полностью электрическом EcoRide BE35 легкий 35-футовый автобус.

Altairnano также развернула свои системы хранения энергии на основе лития-титаната для вспомогательных услуг электрических сетей. и в различных военных приложениях.

Лекланше

Лекланше — швейцарский производитель аккумуляторов, основанный в 1909 году. В 2006 году он приобрел компанию Bullith AG (Германия), чтобы открыть в Германии линию по производству литий-ионных аккумуляторов. В 2014 году на рынок был выпущен их продукт «TiBox». Энергосодержание TiBox составляет 3,2 кВтч при 20 000 циклов.

Microvast

Компания Microvast из Хьюстона, штат Техас, производит литий-титанатную батарею, которую она называет «LpTO». В 2011 году был запущен первый в мире парк автобусов со сверхбыстрой зарядкой. Чунцин, Китай. Аккумуляторная система LpTO мощностью 80 кВт была установлена ​​в 37 двенадцатиметровых электрических автобусах, которые можно полностью зарядить за 10 минут с помощью зарядного устройства на 400 кВт.

По состоянию на 2014 год британский производитель автобусов, Райтбус, начал использовать аккумуляторы Microvast LpTO для 1000 единиц двухэтажных Новый Routemaster автобусов.[нужна цитата ] Батарейная система LpTO на 18 кВтч используется для замены исходной литий-железо-фосфатной батареи, поскольку у LFP-батареи произошел сбой в работе.

В 2015 году была запущена европейская ZeEUS (городская транспортная система с нулевым уровнем выбросов). В его шине VDL используется аккумуляторная система LpTO мощностью 62,5 кВтч от Microvast. для этого демонстрационного проекта.

В 2016 году крупнейший в мире автоматизированный порт PSA TUAS начал использовать Microvast LpTO для 22 электрических AGV в качестве первого этапа проекта по горизонтальной контейнерной транспортировке.

Toshiba

Пример батареи SCiB

Toshiba выпустила литий-титанатную батарею, получившую название «Super Charge Ion Battery» (SCiB). Аккумулятор рассчитан на 90% заряда всего за 10 минут.

Аккумуляторы SCiB используются в Schwinn Электровелосипед с попутным ветром. Toshiba также продемонстрировала свое использование в качестве прототип аккумулятор ноутбука. Аккумуляторы Toshiba SCiB используются только в японской версии Mitsubishi’s i-MiEV и электрические транспортные средства, и Honda использует их в своем электрическом велосипеде EV-neo и , который был запущен летом 2012 года.JR Central с N700S Синкансэн использует батареи SCiB для работы на малой скорости в случае нарушения подачи электроэнергии.

Samsung

В Bluetooth -включенный S-Pen в Samsung Галакси ноут 10 и 10+ содержит литий-титанатную батарею, время работы которой составляет 10 часов.

Seiko

Seiko использует литий-титанатные батареи в кинетическом (автоматический кварц ) наручные часы. Ранее в часах Kinetic использовался конденсатор для хранения энергии, но батарея обеспечивает большую емкость и более длительный срок службы. Технический специалист может легко заменить батарею, если ее емкость в конечном итоге снизится до неприемлемого уровня.

ЯБО

YABO Power Technology выпустила литий-титанатную батарею в 2012 году. Батарея стандартной модели YB-LITE2344 2,4 В / 15 Ач использовалась в электромобилях и системах хранения энергии.

Текущее использование

Титанатные батареи используются в некоторых японских версиях Mitsubishi’s i-MiEVэлектромобиль, и Honda использует их в своем электрическом велосипеде EV-neo и . Они также используются в Тоса концептуальный электрический автобус. Благодаря высокому уровню безопасности и возможности перезарядки аккумуляторы LTO используются в автомобильных аудиосистемах, а также в мобильных медицинских устройствах.

Аккумулятор LTO также используется в S-Pen что идет с Samsung Galaxy Note 20 Ultra 5G.

Согласно статье Weatherflow Co., устройство метеостанции Tempest содержит LTO-батарею емкостью 1300 мАч, заряжаемую от четырех солнечных панелей, требующую «не менее 4 часов достаточного солнечного света каждые две недели».

Где применяются LTO АКБ

Явное преимущество LTO АКБ от других источников питания, позволяет широко использовать данный вид батарей в электрических транспортных средствах, светофорах, электростанциях, яхтах, зарядных станциях. Финансовых объектах, больницах, системах резервного питания, станциях связи, центрах телекоммуникации, самоуправляющихся метеостанциях, общественном транспорте.

При освещении улиц где основная подзарядка источника питания выполняется за счет солнечных панелей, накапливающих энергию от солнца. Увидеть подобную конструкцию можно в погодных радарах, источниках бесперебойного питания, для домашнего использования, вилочных погрузчиках.

Постепенно данный вид батарей начинают внедрять и в другие отрасли. Их можно увидеть в мобильных медицинских устройствах, наручных часах, видеокамерах, цифровых аппаратах и даже в сотовых телефонах и ноутбуках.

Производители

Сегодня в мире есть несколько наиболее крупных брендов. Каждый из этих производителей привнес в технологию что-то свое, однако в целом эти аккумуляторы схожи, ведь принцип работы одинаковый. К таким батареям сейчас можно купить балансир.

Altairnano

АКБ этого бренда предназначены для разных целей, в том числе – для систем бесперебойного питания. Однако основное направление – электромобили. В скором будущем появятся модели машин, в том числе автобус, в которых будут применяться в роли элементов питания литий титанатные аккумуляторы.

Toshiba

Устройства этого бренда характеризуются скоростью зарядки. Девяноста процентов у новых моделей можно достичь всего за пять минут. Это позволяет обеспечить такой АКБ востребованность для мобильных устройств, например, для тех, что используются в медицине. Пока что эта батарея от Toshiba – вершина в плане скорости зарядки.

Leclanch

Число циклов перезарядки у батареи этого бренда велико и составляет двадцать тысяч. Благодаря этому, аккумулятор подходит как для портативных приборов, так и для сложных энергетических объектов, например, электростанций. Владельцы последних сэкономят, купив такую АКБ.

Yabo

Литий титанатные ионные акб этого бренда применяют в системах, предназначенных для хранения информации. Также используется в электромобилях. Хорошая батарея, хоть и не рекордсмен.

Примечания

1. ↑  (недоступная ссылка). EETimes. Дата обращения: 14 октября 2017.
2.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010.
3.  (недоступная ссылка). Phoenix Motorcars. Дата обращения: 7 июля 2010.
4.  (недоступная ссылка). Proterraonline.com. Дата обращения: 6 июля 2010.
5. Altair Nanotechnologies (2008-11-21).. Пресс-релиз. Проверено 2010-07-06.
6. Altair Nanotechnologies.. Пресс-релиз. Проверено 2010-07-06.
7. Kouji Kariatsumari. . Nikkei Electronics (Dec 12, 2007). Дата обращения: 7 июля 2010.
8.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010.
9. ↑
10. . www.scib.jp. Дата обращения: 28 ноября 2016.
11.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 февраля 2011.
12. Toshiba (2017-10-03).. Пресс-релиз. Проверено 2010-10-14.
13.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010.
14. . Green Car Congress (Nov 17, 2011).
15. . Green Car Congress (Jun 15, 2011).

Начинка и работа ЛТА

На многих типах таких батарей установлены металлические клеммы. Через них происходит контакт стержней с (+) и (-) напряжением внутри изделия, а также потребителем энергии.

Во время работы АКБ, ток копится и уходит в одно время. Запасы тока и его подача значительно больше у таких батарей, чем произведенных по другим методам технологий.

В течение десяти минут изделие будет полностью заряжено. Положительным свойством литий-титанатного аккумулятора считается и то, что батарея не перегревается. В остальном такие АКБ по принципу работы схожи с другими.

Катод напоминает слоеный графит. В нем постоянно кипит работа. Беспорядочное движение атомов, пропитанных электроэнергией, и перемещающихся по матрице, дают сохранность напряжению.

Когда происходит разряд, Li-ионы начинают сольватировать с кислородом, затем проходят через отрицательный электрод и выводятся на поверхность.