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:
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.
