Литий титанатные аккумуляторы

Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы получили самое широкое распространение благодаря своим хорошим потребительским качествам. Таким источникам питания присущи следующие недостатки:

  • высокая пожаро- и взрывоопасность;
  • высокие требования к стабилизации зарядных напряжений и токов;
  • неспособность к отдаче пиковых токов значительной величины;
  • снижение работоспособности при низких температурах.

Последняя разработка источников питания на основе лития – литий титанатные аккумуляторы, в которых анод выполнен из титаната лития — Li4Ti5O12. При формировании анода используются нанотехнологии, благодаря чему эффективная площадь поверхности возросла более, чем в 30 раз.

Благодаря развитой поверхности, аккумуляторы на основе титаната лития допускают высокие токи заряда и разряда, а также работоспособность при низких отрицательных температурах.

Принцип конструкции и работы

Аккумуляторы, выполненные по технологии LTO, как часто называют литий титанатные источники тока, отличаются от литий-ионных тем, что вместо угольного (графитового анода) используется химическое соединение на основе титаната лития. Особая технология нанесения на подложку сверхтонких слоев (15нм) окиси титана с последующим отжигом при высокой температуре, позволяет получить трехмерную структуру с развитыми полостями сверхмалого размера, образующими огромную площадь поверхности. Благодаря этой особенности становится возможным протекание химических реакций между электролитом и электродами не только в поверхностном слое, а по всему объему материала.

Подобная особенность строения анода дает следующие преимущества:

  • повышение плотности тока и, как следствие, резкое снижение времени зарядки;
  • снижение внутреннего сопротивления, что позволяет повысить максимальный пиковый ток разряда;

Схема протекания реакции

Процесс выращивания структуры запатентован, но в основе лежит нанокристаллическая структура из Li4Ti5O12. Электрохимическую реакцию, которая происходит в процессе заряда-разряда можно представить так:

Схема реакции

и описывается она следующей формулой:

На практике для производства LTO аккумуляторов в качестве анода берут Li4Ti5O12 (литий титана оксид), а для катода используют химический элемент Co (кобальт) — LiCoO2.

Электрические характеристики

Большая часть характеристик литий титанатных батарей превосходит аналогичные у источников тока старых типов. В том числе следует перечислить следующие плюсовые особенности:

  • ток разряда – 3-х кратное превышение значения емкости (3С);
  • ток заряда – до 10С;
  • внутреннее сопротивление ≈1 мОм;
  • предел температуры — 40°С;
  • саморазряд – 2…5% в месяц;
  • количество циклов при токе заряда 3С – 10000;
  • количество циклов при токе заряда 0.5С – 10000000;
  • время заряда до 80% при токе 10С – 1…10 минут;
  • срок годности – более 10000 циклов или более 10 лет.

Важно! При тестовых испытаниях аккумуляторы выдерживали токи зарядки до 200С!

Отрицательными сторонами литий титанатных аккумуляторов является сниженное значение рабочего напряжения – 2.4В, что приводит к снижению удельной энергии. Это вынуждает увеличивать количество аккумуляторов для получения необходимого значения напряжения.

Из минусов в настоящее время титанатные АКБ имеют высокую стоимость и малый ассортимент моделей.

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.

Производители

Рассматриваемый тип аккумуляторных батарей является недавней разработкой, поэтому они выпускаются небольшим количеством производителей, которые сосредоточили у себя большинство запатентованных решений.

Признанным лидером в разработке и производству литий титанатных батарей является японский концерн Toshiba. Разработка концерна выпускается под маркой SCiB – Super Charge Ion Battery (ионная батарея сверхбыстрого заряда).

Характеристики выпускаемой продукции:

  • емкость – от 2.9 до 23 А/ч;
  • время заряда от 1 до 6 минут;
  • количество циклов заряд/разряд — 20000 – 40000 при падении емкости не более 70% для наиболее худшего случая;
  • температурный диапазон от +35 до -30°С;
  • возможность работы в буферном режиме (поплавковый заряд).

Обратите внимание! Возможность длительной работы в буферном режиме при постоянном подзаряде небольшими токами, выгодно отличает LTO аккумуляторы от литий ионных, особенно в источниках бесперебойного питания.

В результате усовершенствования технологии SCiB Toshiba разработала структуру анода на основе оксидов титана и ниобия. Аккумулятор с таким анодом заряжается до 90% емкости за пять минут. Более эффективная передача и использование ионов лития повышает удельную емкость анода почти в два раза, что позволило снизит габариты источников при сохранении технических характеристик и приблизить удельную энергию к энергии литий-полимерных аккумуляторов.

Немого меньший ассортимент продукции у следующих производителей:

  • YABO Power Technology – китайский производитель батарей для систем хранения данных и автомобилей. В ассортименте пока только одна модель.;
  • Seiko – производит аккумуляторы для наручных часов с кинетическим механизмом подзаряда;
  • Leclanché – швейцарский производитель, который выпускает батарею под маркой «TiBox»;
  • Altairnano – американская компания по производству аккумуляторных батарей «Nanosafe» для электромобилей, систем бесперебойного электроснабжения и военной техники.

Как видно, в настоящее время известно лишь несколько производителей. К тому же большинство из них выпускает ограниченное количество моделей. Это связано со сложностью технологии производства анода на основе титаната лития. Есть надежда, что высокая потребность в высокоэнергетичных источниках питания с высокими скоростями заряда вынудит других производителей заняться решением проблем выпуска. В результате конкурентности на рынке, совершенствованию технологии производства, стоимость аккумуляторов должна снизится, как это уже было с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электростанция в кармане
Добавить комментарий


Срок проверки reCAPTCHA истек. Перезагрузите страницу.

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: