Автомобилисты, подъём! Литий-титанат улучшили в Корее. Рассказывает инженер

Литий-титанатные батареи (LTO) за счёт особого материала анода в элементах служат много тысяч циклов вплоть до 20 лет обычной эксплуатации при потере ёмкости менее 20%.

👇 Их главный недостаток — малая ёмкость — теперь преодолён корейскими учёными!

LTO — «хорошо». А LTO с изменением кислорода — «хорошо хорошо».

Что такое LTO-батареи вкратце?

LTO-батареи — это вид литий-ионных аккумуляторных батарей, в которых в качестве анодного материала используется оксид титаната лития (LTO, Li4Ti5O12). Такие батареи популярны в том числе и в России среди любителей автозвука и автокемпингов (да и просто автомобилистов-энтузиастов).

• ✅ Высокая скорость зарядки и мощность. Литий-титанатные батареи берут заряд за несколько минут, выдерживают высокотоковые нагрузки без просадки по ёмкости.
• ✅ Долгий срок службы. LTO-батареи держат более 80% ёмкость вплоть до 10 000, а в некоторых случаях и 20 000 циклов зарядки-разрядки (зависит от катода), что при обычном циклировании достигает 20 лет и более службы.
• ✅ Низкая температурная зависимость. LTO-батареи работают при температурах от -40°C до +60°C без потери производительности, а также берут заряд в мороз вплоть до -20°C (заряжаются генератором без проблем, не надо греть).
• ✅ Высокая безопасность. Термическое разрушение не грозит, они не воспламеняются даже при замыкании накоротко, при внешнем перегреве или повреждении вспышка открытого огня длится несколько секунд пока не выгорит испарение электролита, после чего затухает, тепловой разгон не происходит.

Почему LTO-батареи нужно улучшать?

У них есть существенные недостатки. Ряд проблем ограничивают применение в некоторых областях.

• ❌ Низкая емкость. LTO-батареи имеют емкость около 175 мА·ч/г, что в три раза меньше, чем у графитовых батарей (372 вплоть до 525 мА·ч/г в теории).
• ❌ Напряженеи и рабочий потенциал. LTO-батареи обладают номинальным напряжением (2,4 В) ниже, чем у обычных графитовых* литий-ионных (3,7 В). Это требует учёта при внедрении на различном оборудовании.
• ❌ Высокая стоимость. LTO-батареи стоят минимум в два раза дороже, чем графитовые батареи.

* - В качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов широко применяется графит с удельной емкостью 372 мАч/г. Поскольку рабочий потенциал графита ниже 1 В, то в ходе циклирования он взаимодействует с электролитом, образуя слой интерфазы (solid electrolyte interphase, SEI), которая в случае высокого сопротивления приводит к ухудшению циклируемости анода.

Чтобы избежать образования SEI и повысить мощностные характеристики, было предложено использовать Li4Ti5O12 с рабочим потенциалом 1,5 В. Но существенным недостатком Li4Ti5O12 является низкая теоретическая удельная ёмкость (175 мАч/г).

Сейчас ведутся работы над TiNb2O7 в качестве замены Li4Ti5O12, который обладает рабочим потенциалом 1,64 В и теоретической удельной емкостью 387,6 мАч/г.

Что удалось улучшить в LTO-батареях корейским учёным?

Корейские учёные из Института энергии сложных систем (Institute of Advanced Energy Systems) под руководством доктора Ким Хён Ука (Hyun Wook Kim) смогли решить эти проблемы, создав новый материал LTO с дефектами кислорода. Дефекты кислорода образуются в результате частичного удаления атомов кислорода из структуры LTO, что увеличивает плотность лития и улучшает диффузию лития.

• ✅ Новый материал LTO с дефектами кислорода позволяет увеличить ёмкость материала до 250 мА·ч/г (а в перспективе вплоть до теоретически возможных 335 мА·ч/г).
• ✅ Кроме того, изменённый анод работает в широком диапазоне напряжений, от 0,01 В до 3 В, что позволяет снизить стоимость производства и повысить энергетическую эффективность батарей.

Само исследование «Дефектный оксид титаната лития со стабильным циклическим циклированием в широком диапазоне напряжений» опубликовано в международном академическом журнале Applied Surface Science в области материаловедения и технологий.

🔻 Ознакомиться с текстом можно здесь:
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156134

В итоге мы получаем ёмкость почти как у графитового анода, но при этом сохраняем все преимущества традиционного LTO-аккумулятора.

💬 Какие вообще есть другие виды литий-ионных батарей?
👇 Узнайте на примере 18650!

Почему это важно знать сейчас, ведь их нет ещё в продаже?

Корейские учёные планируют коммерциализировать свои открытия в области улучшения LTO-батарей уже в следующем году. Они уже запатентовали свой новый материал LTO с дефектами кислорода и сотрудничают с ведущими производителями батарей в Корее и за рубежом для разработки и тестирования новых продуктов на основе этого материала.

Доктор Хён Вук Ким (Hyun Wook Kim):

«Новый материал анода LTO, который мы разработали на этот раз, является компонентом, который сыграет ключевую роль в индустрии батарей в ближайшее время».

«Наш новый материал LTO с дефектами кислорода достигает максимальную теоретическую ёмкость и может быть реализован в совместимом диапазоне напряжений с графитовыми материалами, что используются в качестве анода в существующих батареях. Он способен стабильно работать в низкотемпературной среде, потом должен применяться в особенно требовательных областях или для "особых" целей».

Где будет интересно применять новые батареи LTO из материала с дефектами кислорода?

Эта разработка корейских учёных перспективна для всех отраслей. Мы видим у этой технологии особые перспективы в таких направлениях:

• Автозвук. LTO даёт стабильное питание для мощных аудиосистем в автомобилях, которые требуют большого тока и частого переключения между зарядкой и разрядкой. В мире нет альтернативы этому типу батарей для этих целей.
• Автокемпинги. Питание электрических приборов в автодомах или кемперах в суровых климатических условиях с частыми циклами зарядки-разрядки будет предпочтительнее от литий-титанатной батареи, нежели литий-железо-фосфатной (LiFePO4), что используются сейчас (или даже устаревшие свинцово-кислотные).
• Электромобили. В качестве тяговых батарей LTO уже давно используются в электробусах, но из-за небольшой ёмкости производители машин на электротяге не рассматривали их, предпочитая LiFePO4 с подогревом.
• Гаджеты. Например, сейчас LTO применяются в стилусах, геотегах (метки для поиска вещей вроде Apple AirTag), с увеличением ёмкости, ассортимент применения увеличится в разы, ведь служат такие батареи многие годы и более безопасны.

***

LTO-батареи — это самый долгоживущий тип литий-ионных батарей. Они быстро заряжаются и отдают высокую мощность без просадок по ёмкости. Многие автомобилисты высоко оценили их за способность запускать двигатель в любой мороз без проблем вплоть до разрядки в ноль, а потом ещё и сразу заряжаться от генератора, чего при ниже 0°C не терпят другие литий-ионные батареи (просто не берут заряд).

• LTO-батареи имеют недостатки. У них низкая ёмкость, дорогие. Связано это с химической структурой.
• Но теперь корейские учёные создали новый материал литий-титанатных анодов. Они пока не придумали названия получше, чем «LTO с дефектами кислорода».
• На практике эта разработка увеличивает ёмкость и позволяет работать в широком диапазоне напряжений почти на уровне популярных сейчас графитовых анодов.

💬 Напишите, что вы думаете про это исследование. Будем благодарны за опыт и критику литий-титанатной технологии, так как мы изготавливаем такие батареи на заказ для всех желающих и хотели бы получить обратную связь, что изменить, улучшить, рассмотреть.