Не так давно, буквально 20 лет назад, были распространены только свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Однако прогресс не стоит на месте и в наш мир ворвались новые революционные технологии, основанные на Li-ion элементах. И вот прошло немного времени, происходит новый переворот в сфере автономных источников энергии, появились новые виды литиевых батарей — литий-титанатные. Они имеют несколько обозначений: lithium-titanium-oxide (LTO или оксид титаната), SCiB и в виде формулы Li4Ti5O12.
Немного истории и производители
Логотип компании Microvast
Первыми этот вид аккумуляторов начали производить в компании Microvast, основанной в 2006 г в Хьюстоне, штат Техас, вместе со своей китайской дочерней компанией Microvast Power Systems в Китае.
Она представила своё первое поколение элементов в 2009 г, а производство началось в 2010 г, на заводе в городе Хучжоу, Китай. В июле 2020 г состоялось открытие нового завода в Германии, городе Людвигсфельде, а в марте 2021года начато производство. 1 ноября 2021 года Microvast открыло новый научно-исследовательский центр в Орландо, штат Флорида. По запросу Министерства энергетики США в 2022 году будет открыт новый производственный объект в Кларксвилле для производства аккумуляторных элементов, модулей и блоков.
Первое поколение получило аббревиатуру "Lp-TO" — "тяговый" аккумулятор, предназначенный для использования в погрузчиках, электробусах, грузовиках и созданный на основе химии литий-титаната (LTO). В 2013 г появилось 2 поколение "LpCO", на основе модифицированного пористого углерода. В 2017 г было запущено 3 поколение, под названием "MpCO", на основе никель-марганца-кобальта (NMC) с повышенной плотностью энергии.
В феврале 2012 г последнее на данный момент 4 поколение, которое получило название "HnCO", достигнув плотности энергии 265 Вт•ч/кг.
Следующая фирма-производитель обосновалась в Японии, её имя Toshiba. Параллельно с США и Китаем, эта компания в 2006 г разработала и начала производить LTO батареи под брендом SCiB (Super Charge ion Battery), отличительной особенностью которых является быстрый заряд батареи, а в 2017 г представила усовершенствованную версию, способную восстановить до 90% своей ёмкости за 6 минут. Вначале производились только тяговые аккумуляторы для автобусов, потом был заключен договор с компаниями Honda, Nissan и Mitsubishi на установку в их электромобили аккумуляторных секций SCiB. Сейчас компания начала устанавливать литий-титанатные батареи в ноутбуки, телефоны и другие автономные электроприборы.
Компания Seiko производит батареи LTO для своих наручных часов, заменив ими конденсаторы.
Швейцарская компания Leclanché освоила передовой техпроцесс по их производству после приобретения в 2006 г немецкой фирмы Bullith AG и выпускает под названием TiBox. Это многоразовые источники питания мощностью 3,2 кВт и ресурсом работы до 20 тыс. циклов.В Америке ещё 3 компании занимаются выпуском и установкой литий-титанатных АКБ для своих автомобилей и под заказ.
Первая — это американская компания Altairnano, выпускающая линейку элементов питания Nanosafe. Вторая — студия Phoenix Motorcars, которая переделывает корейские авто от компании SsangYong в электромобили. И третья — калифорнийская фирма Proterra, применяющая данный элемент питания в своём микроавтобусе EcoRide BE35.Также LTO батареи выпускают ещё две китайских компании: компания YABO Power Technology, начавшая своё производство в 2012 г и компания YinLong New Energy, занимающаяся производством электробусов и батарей, а также представившая в 2019 г новый полноразмерный электровэн Effie.
Устройство и принцип работы
Устройство идентичное Li-ion батареям. Состоит из алюминиевого корпуса с 2 контактами сверху и снизу, а также элемента питания в форме рулона, состоящего из 3 слоёв, в котором расположены: рулон отрицательно заряженного элемента (катод), посередине сепаратор, пропитанный электролитом на основе литиевых солей и рулон положительно заряженного элемента (анод).
Катод изготавливается из медной фольги с напылением в виде слоёного графита и является однотипным для литий-металлических батарей. Основное отличие в аноде, выполненным из алюминиевой фольги, покрытой специальным сплавом титаната лития (Li4Ti5O12).
Этот материал имеет некристаллическую структуру, увеличивающую поверхность соприкосновения с электролитом, позволяющим обеспечить площадь соприкосновения до 100 м²/г по сравнению с 3 м²/г для углерода, что обеспечивает высокую плотность тока. Все слои анода соединяются между собой и контактом "+", а катодные слои также соединяются аналогично и контактом "-". Также в крышке корпуса установлен клапан сброса давления, срабатывающий в случае избыточного выделения газов и паров.
Принцип работы заключается в беспорядочном перемещении атомов наряжённых электричеством по матрице, сохраняя напряжение. Когда элемент начинает разряжаться из-за нагрузки, ионы лития переходят через сепаратор от катода к аноду и отдают накопленный заряд, приводящий к реакции окисления. При зарядке ионы лития возвращаются также через сепаратор от анода к катоду и аккумулируют заряд, при этом происходит процесс восстановления.
Виды корпусов LTO аккумуляторов
Внутреннее устройство у всех аккумуляторов одинаково, а вот корпус и количество элементов могут быть разными:
- Призматики. Выполнены в форме параллелепипеда прямоугольной формы с верхним расположением контактов.Пример призматической батареи
- Пакеты. Имеют плоскую форму с тонкой алюминиевой оболочкой. Расположение контактов может быть верхни или двухсторонним.Пакетный элемент
- Батарейки. Выполнены в форме вытянутого круглого цилиндра с верхним и нижним расположением контактов.
- Модульный или корпусной. Может быть, выполнен в виде обычного автомобильного АКБ, пластикового герметичного и ударопрочного кейса, а также в виде сборных модульных ячеек или дополнительного чехла-аккумулятора для смартфонов и другой автономной электротехники.
Форма в виде кейса
Смартфон с дополнительным LTO аккумулятором
Общие характеристики
- Широкий температурный диапазон: от -40 до + 55 °С.
- Предельное разрядное напряжение (полный разряд) — 1,7 В.
- Предельное зарядное напряжение — 2,6 В.
- Диапазон рабочего напряжения: от 2 до 2,4 В.
- Уровень саморазряда: от 2,5 до 5% в месяц.
- Циклическая эффективность заряд-разряд — до 95% при низких токах и до 85% при высоких токах.
- Снижение ёмкости АКБ на 10% после 10000 циклов заряд-разряд и на 20% после 20000 циклов.
- Максимальный ресурс эксплуатации 40000 циклов.
- Гарантийный срок службы: от 10 до 20 лет в зависимости от модели.
- Плотность заряда — до 177 Вт·ч/л
- Энергоемкость: 30-110 Вт/кг.
- Выдаваемая удельная мощность при максимальной нагрузке: 3-5,1 Квт/кг.
Преимущества LTO аккумуляторов
- Небольшое внутреннее сопротивление.
- Быстрый процесс зарядки 6-10 мин.
- Высокая надёжность и пожаробезопасность.
- Стабильная работа заряд-разряд при низких и высоких температурах.
- Низкое внутреннее сопротивление.
- Высокие токи заряда-разряда (до 10С) и способность обеспечивать высокий поток энергии.
- Низкий саморазряд.
Недостатки LTO аккумуляторов
- Высокая стоимость по сравнению с Li-ion элементами.
- Медленное внедрение и рыночный дефицит.
- Низкое среднее рабочее напряжение 2,3 В против 4,2 В у Li-ion батарей, что приводит к дополнительному количеству элементов и как следствие, большему весу, габаритам и стоимости.
- Падение напряжения в зависимости от ёмкости, чем она больше, тем дольше происходит разряд.
- Аккумуляторы считаются отходами 2 класса опасности. Утилизация должна происходить по определённым правилам и на специальных заводах.
Места применения
Широкий диапазон по температуре, ёмкости и токовым нагрузкам, а также безопасной эксплуатации, делает его использование повсеместным во всех приборах и устройствах. К ним относятся персональный электротранспорт (электровелосипед, самокат, мотоцикл, мопед, мотороллер, электрокар), в муниципальных устройствах (фонарях уличного освещения, светофорах, камерах наблюдения, автономных пунктах раздачи WiFi), общественном транспорте, банках, больницах, метеостанциях, станциях сотовой связи и телекоммуникаций, бытовых приборах, электрооборудовании (ноутбуки, смартфоны, часы, видеокамеры, автономные медицинские аппараты и тд).
Но наибольшее направление идёт в сторону создания (ветровая и солнечная генерации) и накопления (бесперебойное питание, аккумуляторные станции) электроэнергии. Так же широкое использование титанатных АКБ в качестве основного источника энергии в электротранспорте, но и в бензиновых автомобилях как замена обычного аккумулятора для стартера, освещения и автозвука.
Пример установки батарей и автоматики в автобусе
Способ монтажа литий-титанатных аккумуляторов
Элементы питания собираются в модульные батареи по различным схемам, от которых зависит ёмкость и напряжение. Для увеличения выходного напряжения соединение должно быть последовательным, а для набора ёмкости — параллельным. Количество использованных ячеек и способ их соединения зависит от нужных характеристик АКБ. Для стабильной, безопасной и длительной эксплуатации используется специальная автоматическая электроника: платы BMS с функциями защиты от перенапряжения или КЗ и встроенным или в виде отдельной платы "балансиров", для одинаково равного напряжения в каждом элементе отдельно. Заряжать LTO аккумуляторы нужно специальными зарядками на подобии Li-ion или универсальными интеллектуальным зарядками, способными регулировать процесс подзарядки.
Заключение
Потенциальный рынок литий-титанатных аккумуляторов уже довольно велик и увеличивается с каждым днём. Продукция выпускается серийно, растёт и ассортимент, что делает её более доступной и снижает цену, по этому скоро судьба Li-ion батарей может стать такой же как у никель-кадмиевых собратьев, которые они заменили.
