Литий-титанатные аккумуляторы

Производители

Altairnano

Altairnano производит литий-титанатные аккумуляторы в линии «Nanosafe», в основном позиционирует их для электромобилей. Среди производителей электромобилей о намерениях использовать аккумуляторы Altairnano заявляли Lightning Car Company (автомобиль Lightning GT)Phoenix Motorcars, Proterra (для микроавтобуса EcoRide BE35).

Altairnano также устанавливает свои батареи в системах бесперебойного питания и предлагает их для военных.

Toshiba

Toshiba выпустила литий-титанатный аккумулятор под маркой Super Charge Ion Battery (SCiB), которая отличается сверхбыстрой зарядкой — до 90 % ёмкости за 6 минут, и длительным сроком службы — до 25 лет. Число циклов заряд/разряд: более 25000. Также новый тип батарей безопасней распространенных сейчас Li-ion батарей. Энергетическая плотность — 60-100 Вт×ч/кг при цене порядка 1-2 тыс. долларов за кВт×ч (для сравнения: бытовые Li-ion на кобальтите лития обладают энергетической плотностью 120—180 Вт×ч/кг при ценах 300—500 долларов за кВт×ч).

Усовершенствованная технология SCiB, анонсированная Toshiba в октябре 2017 года, позволяет обеспечить 90%-й заряд аккумулятора в течение 5 минут. Таких показателей удалось достичь путем использования в качестве анодного материала оксида титана-ниобия, который более эффективно обеспечивает хранение и транспорт ионов лития и позволяет двукратно повысить удельную емкость анода.

Leclanché

Leclanché — производитель швейцарских аккумуляторов, основанный в 1909 году. В 2006 году фирма приобрела немецкую фирму Bullith AG для создания литий-ионной производственной линии в Германии. В 2014 году на рынке появился продукт «TiBox» с литий-титанатным анодом. Мощность батареи «TiBox» составляет 3,2 кВт и она выдерживает 20 000 циклов перезарядки.

Seiko

Seiko использует батареи на основе титаната лития в кинетических наручных часах. Ранее ими для хранения энергии использовался конденсатор, но батарея позволяет обеспечить большую емкость, более длительный срок службы и удобство ремонта.

YABO

YABO Power Technology выпустила батарею на основе титаната лития в 2012 году. Стандартная модель аккумуляторной батареи YB-LITE2344 2.4В/15А×ч используется в электромобилях и системах хранения энергии.

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.

Развитие семейства

В качестве анода в химии карбон титанатного аккумулятора использован модифицированный пористый углерод с размером частиц и морфологией, сходной с классическим графитом, и площадью поверхности, в 20 раз превышающей площадь поверхности графита. Большая площадь поверхности обеспечивает увеличенный канал, который значительно увеличивает подвижность и инжекцию литий-иона, что помогает аккумулятору добиться высокой скорости зарядки и длительной работы.

Благодаря таким технологиям удалось значительно увеличить плотность накапливаемой энергии, уменьшить массу и габариты карбон титанатного аккумулятора. При этом произошло незначительное, по сравнению с литий-титанатным аккумулятором, снижение ресурса, который в карбон титанате составляет 10 000 циклов.

Рабочий диапазон напряжений карбон титанатного аккумулятора составляет 2,7-4,3 В, что соответствует диапазону стандартного литий-ионного аккумулятора. Это позволяет использовать широко распространенные платы защиты BMS (battery management system), разработанные для литий-ионных батарей. Но, несмотря на преимущество карбон титанатной технологии, литий-титанатная разработка от Toshiba SCiB остается на сегодня аккумулятором с самым высоким сроком службы среди всех серийно производимых технологий, где ресурса 25 000 полных циклов заряда разряда никто из производителей до сих пор не превзошёл.[источник не указан 384 дня]

Правила эксплуатации и утилизация

Первичная зарядка устройства определена химической реакцией катода и анода. Дальнейший заряд возможен через подключение внешнего прибора. Заряжают LTO батареи только при условии подачи постоянного тока, устанавливается постоянное напряжение до полного заряда. Подобные устройства считаются необслуживаемые. Если батарея повреждена либо отказала в работе, отремонтировать ее нельзя. Открытие крышки устройства, сразу же разрушает пластины батареи.

Заряд нужно периодически проверять специальными приборами. Специалисты обязаны просматривать корпус на сохранность, клеммы, при необходимости счищать окисления, грязь. Замыкание контактов недопустимо.

Аккумуляторы считаются отходами 2 класса опасности. Утилизация таких батарей должна выполняться по особым правилам. Поэтому производители рекомендуют при утилизации литий титанатных батарей сдавать их специальным заводам, компаниям, которые могут выполнить их правильную переработку.

Подобные накопители энергии стали прорывом в современном производстве аккумуляторов. Их по праву можно назвать совершенными, эффективными, безопасными. Однако их большой недостаток определен высокой стоимостью и рыночным дефицитом.

Эта статья прочитана 5347 раз(а)!

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.

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

Сравнительные характеристики существующих систем
Все известные на сегодня источники тока в виде: свинцово-кислотных, щелочных аккумуляторов, промышленного применения, уже не выдерживают никаких сравнений относительно литий-ионных АКБ. Но и в современных системах сохранения энергии- литий-титанатные АБ стоят особняком из- за своих уникальных качеств. Ниже представлена сравнительная таблица свойств АКБ различных систем:

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.

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.

Особенности эксплуатации и утилизация

В эксплуатацию литий-титанатные аккумуляторы поступают уже готовыми для подключения к нагрузке, так как первоначальный заряд обусловлен электрохимической реакцией между электродами плюса и минуса.

Зарядка производится специальным устройством постоянного тока.

Поврежденная или бракованная батарея в виду сложности и высокотехнологичности строения восстановлению не подлежит: вскрытие корпуса необратимо разрушает пластины.

Согласно приказу № 511 Министерства природных ресурсов от 15.06.2001 различают 5 классов опасности отходов. Отработанные аккумуляторы относятся ко второму классу, что предполагает специальную процедуру утилизации.

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.

Где можно купить литий-титанат АКБ

Самой популярной ёмкостью у LTO является показатель в 40 Ah. Такие элементы пригодны для последовательного соединения для организации больших источников питания.

Литий-титанат, кроме распространённых стандартных размеров, может быть и эксклюзивным. Плоские, гибкие либо защищённые жёсткими листами ячеек, с типоразмером стандартных батареек — да, есть и такие исполнения LTO. На рынке можно найти уже собранные литий-титанат батареи и блоки питания в корпусах.

Нельзя забывать и про стоимость доставки — трудно сказать, во сколько вам в сумме обойдётся та или иная модель LTO и какое качество за вложенные средства вы получите в своё распоряжение. Стоимость литий-титанат батарей может варьироваться в значительной степени — это нужно учитывать заранее.

Заключение

Как видим, литий-титанат изделия предпочтительней своих литий-ионных собратьев, а вопрос цены и популярности — дело времени. Перспективы у этой разновидности аккумуляторных батарей без сомнений есть, LTO становятся всё доступней для широких масс, а их ассортимент неуклонно расширяется. В принципе, вполне добротный товар, который вполне себе можно юзать, получая от него только пользу.

Принцип работы и устройство литий титанатного аккумулятора

Внешняя оболочка конструкции – пластик, композиционный материал, реже цветной металл. Многие модели имеют металлические клеммы, через которые выполняется контакт внутренних стержней с положительным, отрицательным напряжением и потребителем энергии. Внешне устройство напоминает призму, цилиндр. Плюсовой контакт размещен вверху, а минусовой внизу батареи.

При работе батареи, в ней протекает определенная реакция. Ток накапливается и отдается одновременно, причем накопление и подача намного выше, чем в устройствах, созданных по другим технология производства. Подобные устройства можно зарядить до предела всего за 6 – 10 минут. При работе батарея не нагревается, поэтому перегрев полностью исключен. Основной принцип работы мало отличается от литий ионных батарей.

Отрицательный электрод сделан в виде слоеного графита. В нем идут беспорядочные процессы, атомы, заряженные электричеством перемещаются по матрице, сохраняя напряжение. При разряде ионы лития взаимодействуют с кислородом, пройдя через катод направляются наружу. Заряжаясь ионы лития утрачивают первоначальное напряжение и оседают на поверхности анода до следующей зарядки. Заряжаясь процесс повторяется, но в обратном порядке. При работе, внутри корпуса могут скапливаться газы, их пары выводятся через специальные отверстия или выхлопы.

Фирмы-производители и предлагаемый ассортимент

Новизной технологии объясняется ее нераспространенность.

На рынке литий-титанатные аккумуляторы представлены небольшим количеством производителей, среди которых явно лидирует японский концерн Toshiba. Маркетинговое название соответствующей продукции – Super Charge Ion Battery, или сокращенно SCiB.

Сортамент таков:

• емкость – от 2,9 до 23 А/ч;
• цикл заряд-разряд – до 40 тысяч с падением емкости не более 70 %;
• возможность буферного режима работы: время, затрачиваемое на заряд, – от 1 до 6 минут.

Собственные разработки позволили японской компании усовершенствовать анод, добавив в его состав оксид ниобия.

Литий-титанат с добавкой позволяет заряжать аккумуляторы за 5 минут до 90 %. Их удельная емкость вдвое выше титанатных, что позволяет уменьшить размер элементов питания и приблизить их по удельной энергии к литий-полимерным.

Для своих наручных кинетических часов производит батареи малого размера и Seiko, заменив ими конденсаторы.

Не отстают и швейцарцы. Компания Leclanché, которая с 1939 года выпускает аккумуляторы, освоила передовой техпроцесс после приобретения в 2006 году немецкой фирмы Bullith AG. Их продукт называется TiBox и представляет собой многоразовые источники питания с литий- титанатным анодом, мощностью 3,2 кВт и ресурсом работы до 20 тысяч циклов.

Американская компания из Невады Altairnano выпускает линейку элементов питания Nanosafe для электромобилей. Их титанат и производимые АКБ по официальным заявлениям готовы установить под капот многие производители автомобилей. Это английская фирма Lightning Car Company, известная своими спорткарами.

Также американская студия Phoenix Motorcars, которая переделывает корейские авто от SsangYong в электромобили. И, наконец, калифорнийская фирма Proterra, в своем микроавтобусе EcoRide BE35.

Выпускают литий-титановые аккумуляторы и в Китае. Компания YABO Power Technology выпустила первый экземпляр еще в 2012 году. Изделия преимущественно применяются в автотранспорте.

Типичный представитель – батарея YB-LITE2344, рассчитанная на штатное напряжение 2,4 V и емкость 15 ампер-часов.

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. (недоступная ссылка)
6. Altair Nanotechnologies.. Пресс-релиз. Проверено 2010-07-06.
7. Kouji Kariatsumari. . Nikkei Electronics (Dec 12, 2007). Дата обращения 7 июля 2010.
8. . 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).

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.

Применение LTO

Батареи на основе титана предназначены не только для использования на электрифицированных средствах передвижения в качестве основного источника питания. Они вполне пригодны для традиционных автомобилей оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Стартер, аудиосистема, светотехника — со всем этим литий-титанат аккумулятор справляется на раз. Весьма востребованы высокотехнологичные девайсы в авиа и кораблестроении. Нашли они своё место и в устройствах, которые должны работать без перебоев, а также иметь при этом мобильность и автономность. К таким относятся светофоры, телекоммуникационное и связное оснащение, резервные цепи питания.

Также, LTO могут выгодно сочетаться с солнечными панелями, обслуживая при этом осветительные приборы. Этот симбиоз может обеспечить освещение как целой улице, так и помещениям.

Постепенно титановые АКБ внедряются и в бытовую технику: мобильные устройства, видео, фото аппаратура и т. д.