Литий титанат для чего
Электробусы и их батареи: что такое литий-титанат? (Part.1)
фото c сайта www.zr.ru
Друзья здравствуйте, всем здоровья, берегите себя, антисептики — наше ВСЁ!
Сегодня попробуем рассмотреть московские электробусы по мотивам статьи в журнале «За рулем» в части используемых литий-титанатных батарей (Li4Ti5O12 или LTO), их стоимости и перспектив эксплуатации, также попробуем разобраться, почему литий-титанат не подходит для промышленных решений в ИБП.
После нашей статьи «Li-Ion технологии: удельная стоимость снижается быстрее прогнозов» вызвал интерес литий-титанат как «не автомобильный» литий. На мой взгляд LTO как раз и является самым что ни на есть тяговыми батареями, которые совершенно не подходят для работы в качестве аккумуляторных батарей в ИБП и телекоме. Почему? Давайте разберемся под катом, структуру статьи условно разделим на три части:
Что такое электробус и почему LTO?
Для начала разберемся в статье и «выудим» нужные нам данные
Но в мире нет пока семилетних электробусов, чтобы опереться на практический опыт, а потому приходится верить расчетам на бумаге. В частности, никто не берется предсказать, как просядет емкость с годами и сколько раз за день придется подключать к сети уже не новую машину.
Таким образом на основе статьи имеем:
… на этом пока все, продолжение следует.
UPD: С чего начнём следующую — химическую — часть:
[54]-[Автозвук]-F.A.Q. по Литий Титанату (LTO)
Доброго времени суток. Сегодня речь пойдет о достаточно известных в узких кругах любителей громкой музыки и неизвестных для других видах аккумуляторных батарей (далее — АБ) — Li4Ti5O12 (далее — LTO/литий титанат). Будут рассмотрены некоторые интересующие вопросы, развеяны мифы, распространяемые теми людьми, которые об LTO знают только из статей в интернете.
1. Что такое LTO?
Литий титанат (АБ) – вариант литий-ионных аккумуляторов, использующий титанат лития (Li4Ti5O12) в качестве анода. Для увеличения площади анод имеет нано кристаллическое строение. Такое решение позволяет обеспечить площадь поверхности анода до 100 м2/г, по сравнению с 3 м2/г для углерода, что позволяет значительно увеличить скорость перезарядки и обеспечить высокую плотность тока. Кроме того, эти аккумуляторы имеют высокую надежность и могут работать при более низких температурах, чем классические литий-ионные (-30 °C).
Недостатком литий-титанатных аккумуляторов является более низкое рабочее напряжение (2,4 В), чем у обычных литий-ионных, имеющих стандартное напряжение 3,7 В.
2. Как скоммутировать литий титинат и виды коммутации АБ?
Сколько АБ обычно установлено в гражданском автомобиле? Кто то скажет одна, ну две максимум. В моем авто на данный момент установлено 12 Аккумуляторов или 2 АБ. По сути так и есть. Т.к. у одной «банки» (отдельно взятой АБ LTO) рабочее напряжение в среднем 2,3 В-2,4 В, то для коммутации в авто, для достижения рабочего напряжения необходимо соединить последовательно 6 отдельно взятых аккумуляторов.
Данное соединение характеризуется тем, что суммарное напряжение АБ увеличивается кратно количеству используемых аккумуляторов. Т.е. 6 аккумуляторов по 2,3 В дает суммарное напряжение секции при последовательном соединении 13,8 В. Кто еще не понял в чем различия прикладываю схему. Как можно заметить. «плюсовой» токовывод одной АБ соединяется с «минусом» токовывода другой АБ и так далее.
Две такие сборки с емкостью 30Ач и напряжением 13,8 В я соединил параллельно, т.е. главный «плюсовой» токовывод одной секции соединил с другим главным «плюсовым» токовыводом другой секции, аналогично поступил с минусом. Хотя его можно было и не протягивать т.к. есть любители «брать минус» с кузова. В случае с титанатом хватает одной протяжки провода.
3. Как защитить соединение АБ?
Т.к. две секции разнесены по разным частям авто (одна АБ установлена в багажнике, а другая под капотом в штатном месте) – то в обязательном порядке необходимо защитить соединение предохранителями. Предохранители должны быть, установлены не дальше 30 см от АБ, как задней, так и передней. Что же дает такая защита и зачем устанавливать два предохранителя. В первую очередь стоит отметить, что предохранитель защищает не потребитель тока, а провод. Два предохранителя обеспечат разрыв сети, в случае короткого замыкания, как от первой АБ, так и от второй, предотвратив возможность нагрева и возгорания кабеля, протянутого по салону.
4. Что нужно сделать перед коммутацией литий титаната?
Как сказано выше, каждая взятая «банка» литий титаната – это отдельно взятый аккумулятор. У каждой «банки» есть свои характеристики, перед зарядкой всех «банок» рекомендуется уравновесить их заряд до одинаковых величин. Для этого необходимо подключить 6, 12, 18 или более кратное количество «банок» вместе параллельным соединением. Это можно сделать при помощи обычного провода. Я использовал акустический провод 1,5 мм, плюс одной «банки» был подсоединен к плюсу другой «банки», так же нужно сделать с минусовыми выводами. Напряжение от более заряженной «банки» будет распределяться на менее заряженные «банки», как следствие напряжение уравнивается. Процесс не быстрый, все зависит от разбега напряжения в «банках». Я оставлял на ночь.
5. Чем соединять «банки» между собой?
Начнем с минусов. В отличие от литий железофосфата, у которого используются медные токовыводы, у титаната они алюминиевые. Как следствие для соединения «банок» необходимо использовать алюминиевые шины, которые в свою очередь обладают более плохими токопроводящими качествами, чем медь из-за большего удельного сопротивления практически в два раза: алюминий 0,027 Ом·мм²/м, медь 0,018 Ом·мм²/м. Так же стоить помнить, что при соединении токовыводов с кабелем лучше всего использовать облуженые кабельные наконечники, во избежание окисления.
12. Что такое балансир? Нужно ли его устанавливать?
Балансир это небольшая плата, которая подключается на литий и позволяет осуществлять контроль за напряжением отдельных «банок». Как было сказано выше у каждой «банки» LTO есть некоторые различия во внутреннем сопротивлении. От этого одна «банка» с бо’льшим сопротивлением берет заряд хуже нежели «банка» с меньшим сопротивлением. Как следствие в процессе эксплуатации может произойти разбег в напряжении «банок» (перезаряд или недозаряд). Собственно с помощью балансира можно этого не допустить. В основном применяются пассивные балансиры, работающие автоматически.
Вопрос нужен балансир или нет, на самом деле спорный. Все зависит от продавца лития. Я при покупке требовал от продавца комплектовать «банки» с примерно одинаковым внутренним сопротивлением, что позволило избежать проблемы разнозаряженности «банок». Вместе с тем, балансиры на каждую секцию были установлены.
В качестве эксперимента я проездил больше 3 месяцев на АБ без балансира, после чего замерил напряжение в каждой «банке». Значение напряжения варьировались с 2,33 В до 2,41 В (разница не критичная).
13. Как правильно установить балансир
Все нюансы были отображены в схеме, добавлю от себя, что достаточно провода 0,75 мм (я использовал ПВ-3).
14. Стоит ли дополнительно защищать банки LTO?
В качестве изоляции корпуса в LTO использована тонкая синяя пленка, которая легко повреждается. Так что да, для себя я выбрал дополнительную защиту в виде плотной термоусадочной трубки.
15. Сколько секций LTO можно соединить?
Сколько угодно все зависит от целей и бюджета. Главное, чтобы в секции число банок было 6.
Для моей системы с моноблоком в 4 кВт достаточно две секции по 30А ч.
16. Максимальный просад системы с установленным LTO?
Ниже 13,9 В не видел, при почти максимальных возможностях системы!
17. Какая цена?
Цена в сравнении с кислотными АБ выше, в сравнении с такими монстрами AGM, как Stinger и XS Power значительно ниже. Одна банка LTO стоит 2 000 руб. – 2 500 руб., балансир 2 000 руб., шины 300 руб. и того 1 секция в среднем 14 300 руб. и выше.
18. Нужно ли менять генератор на более продуктивный?
Нужно, но не обязательно. Мне хватает штатного обслуженного генератора 110А.
19. Можно ли соединять секции титаната различной емкости?
Да можно, но есть нюанс. Для примера
У нас есть 12 банок: 6 банок емкостью 40Ач, 6 банок 30 Ач. Необходимо соединить по 2 банки в пары, всего 6 пар. Каждая пара параллельное соединение (на выходе 2,4В и 75 Ач). Затем пары соединить последовательно (на выходе 14,4 В и 75 Ач).
20. Стоит ли покупать Титанат у частных лиц («С рук»). И на что обратить внимание?
Да можно, но при этом стоит оценить все риски заранее. Стоит понимать, что когда вы покупаете ЛТО у проверенного продавца, который занимается этим не первый год, вероятность купить качественный товар выше, чем вы купите ЛТО с рук. Для продавца важна в первую очередь не выручка, а общественное мнение. Попросту говоря, частник продал одну или две секции и слилися, а продавец живет этим. Стоит ли экономить пару тысяч решать вам.
Так на, что же все таки обратить внимание?
— В первую очередь на внешний вид банок. Изоляция не должна быть повреждена.
— Состояние шпилек. Не редко хозяева ЛТО перетягивают гайки, закручивая шины. Материал шпилек — алюминий и сломать их не составляет труда. Ремонтные пильки без углублений в центре и если приглядеться, можно увидеть место соединения.
— Состояние клапанов на секции. Они должны быть закрыты, взорванные клапана, говорят о смерти банки.
Наткнулся недавно на пост о продаже титаната: «Всем привет, продам литий титонат 55А, состояние 5/5, за подробностями в лс. Свердловская область.Могу отправить любой компанией к вам, за ваш счёт». Фото взорванной секции прилагаются, а так 5 из 5.=D
Литий титанат для чего
Титанат лития является перспективным электродным материалом для литий-ионных химических источников тока, используемых в устройствах современных средств связи, компьютерной техники, широкого круга оборудования гражданского и специального назначения [1–3]. Его использование позволяет в процессе интеркаляции – деинтеркаляции лития при эксплуатации источника тока избежать объемного изменения структуры материала, обеспечить повышенную взрыво- и пожаробезопасности всего устройства.
Главное преимущество титаната лития состоит в том, что рабочий потенциал такого электрода более, чем на 1 В положительнее потенциала литиевого электрода, что исключает образование дендритов и восстановление электролита. Вместе с тем, основным недостатком титаната лития состава Li4Ti5O12, как и ряда других используемых в литий-ионных аккумуляторах электродных материалов, является низкая электронная и ионная проводимость [4–6], что обусловливает недостаточную и нестабильную емкость аккумулятора и, как следствие, неудовлетворительную циклируемость при интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития в режиме «заряд – разряд». Улучшение этих показателей может быть достигнуто разработкой методов синтеза высокодисперсных порошков, допирования гетеровалентными компонентами и создания композитов электродный материал – твердый электролит. В настоящее время проблема гетеровалентного допирования титаната лития далека от своего окончательного решения и требует накопления обширного экспериментального материала по методам синтеза. Для получения ультрадисперсных порошков титаната лития перспективен синтез в жидких средах, обеспечивающий высокую степень гомогенизации компонентов в системе. Золь-гель синтез сложных оксидов титана (IV) предполагает гидролиз солей с образованием оксогидроксокомплексов состава TiО2-x(ОН)2x·nН2О, взаимодействие которых с катионами металлов должно приводить к образованию соединений заданного состава. Однако характерные для оксогидроксосоединений титана (IV) процессы оляции и оксоляции нарушают стехиометрию синтезируемых целевых соединений, в результате чего наблюдается появление примесных фаз. Для предотвращения процессов оляции-оксоляции и сохранения ионообменных центров предложено использовать в качестве прекурсоров высокогидратированные соединения состава TiO1-x(ONH4)2+2x•aq с молярным отношением NH4+:Ti(IV), не меньшим, чем отношение катионов щелочного металла и титана в целевом продукте [7]. Такой прекурсор может быть получен гидролизом аммоний титанил сульфата состава (NH4)2TiO(SO4)2•H2O, являющегося продуктом переработки титанового сырья [8]. Замещение в продукте гидролиза аммоний титанил сульфата катионов аммония на катионы лития обеспечивает заданное соотношение металлов. Дегидратация и кристаллизация такого гидратированного литий-замещенного соединения после термообработки приводит к образованию соединения требуемого состава.
Целью исследования явилось изучение влияния легирования катионами лантана (III) высокогидратированного титанаммониевого прекурсора на дисперсность, фазовый состав и электрохимические свойства порошков титаната лития состава Li4Ti5O12. Выбор в качестве допанта лантана (III) обусловлен возможностью создания как дефектной структуры материала, так и композита с равномерно распределенным твердым электролитом состава Li3xLa2/3-xTiO3, обладающим высокой литий-ионной проводимостью [9–11].
Материалы и методы исследования
Титанат лития синтезировали в виде высокодисперных порошков согласно [7, 8]. Для синтеза использовали титанаммониевый прекурсор, который был получен гидролизом (NH4)2TiO(SO4)2•H2O при введении его раствора в концентрированный раствор аммиака. Отличительной особенностью исходных титансодержащих растворов является их технологичность: низкое концентрационное отношение H2SO4:TiO2 значительно сокращает расход реагентов на получение целевого продукта, а образующийся в результате гидролиза раствор сульфата аммония может быть возвращен на получение исходного сульфата титанила и аммония. Титанаммониевый прекурсор отмывали от избытка аммиака репульпированием в воде до pH 8–8,5. Замещение катионов аммония на катионы лития проводили при температуре 90–95 °С обрабаткой раствором гидроксида и нитрата лития при отношении Li:Ti(IV) 0,8–1,04 моль/моль. Допирование катионами лантана (III) осуществляли введением в суспензию раствора нитрата лантана при контролируемых значениях pH. Дальнейшая термообработка замещенного литием прекурсора обеспечивала получение целевого продукта. При анализе состава твердых фаз и растворов использовали атомно-адсорбционный спектрофотометр AAS 300 Perkin-Elmer, массспектрометрометр «ELAN 9000 DRC-e» фирмы PerkinElmer, спектрометр ICPS-9000 фирмы Shimadzu (Япония). Дифференциально-термическое и термогравиметрическое исследования проводили при 25–1000 °C на анализаторе NETZSCH STA 409 PC/PG Luxx. Значения pH водных растворов и суспензий, содержащих синтезированные соединения, измерены на иономере И-130.2М.1. Фазовый состав образцов синтезированных продуктов изучен на дифрактометре ДРОН-3 с CuKa-излучением и графитовым монохроматором. Для идентификации фаз использовали банк данных JCPDS. Контроль размера частиц, морфологии их поверхности и величины удельной поверхности твердых фаз проводили методом десорбции азота на приборе «FlowSorb II 2300» фирмы Micrometritics (США) и методом сканирующей электронной микроскопии с использованием SEM LEO-420. Измерения проводимости (s) выполняли методом спектроскопии электрохимического импеданса в двухэлектродной ячейке с использованием импедансметра Elins Z-2000 в диапазоне частот 102–2×106 Гц при амплитуде сигнала 50–100 мВ. Образцы таблет диаметром 10–12 мм и высотой 2–3 мм готовили по керамической технологии. Электроды наносили на торцы таблет натиранием мелкодисперсного графитового порошка. Гальваностатическое циклирование макетов аккумулятора при тестировании полуячейки в режиме заряд – разряд проводили в диапазоне от 3 до 1 В при скорости 0,05 и 0,2 С с использованием многоканального стенда LANDCT2001A и потенциостата-гальваностата MetrohmAutolab PGSTAT30. Электродную массу для электрохимических измерений получали смешиванием порошка титаната лития, ацетиленовой сажи и поливинилиденфторида в N-метилпирролидоне. Электролитом служил 1 М раствор LiBF4 в смеси с пропиленкарбонатом. В качестве противоэлектрода и электрода сравнения использовали металлический литий.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования показали, что, согласно [7, 8], замещение катионов аммония на катионы лития в высокогидратированном титанаммониевом прекурсоре обеспечивает получение рентгеноаморфного гидратированного сложного оксида титана и лития с отношением Li:Ti, равным 4:5. При его термолизе в интервале 50–300 °C наблюдается эндотермический эффект, отвечающий практически полной дегидратации. В интервале 320–350 °C завершается кристаллизация с образованием высокодисперсного монофазного порошка титаната лития. Содержание в продукте Li2О – 13,5 мас. % и TiO2 – 86,3 мас. % соответствует Li4Ti5O12. При повышении температуры и времени термообработки средний размер частиц порошков увеличивается (рис. 1). Введение на стадии формирования литий-титанового прекурсора до 4 мас. % La (III) не меняет кристаллическую структуру материала, однако при этом увеличивает дисперсность порошка (рис. 1). Дальнейшее увеличение содержания введенных в состав материала катионов лантана (III) позволяет получить композитный материал на основе титаната лития Li4Ti5O12 с равномерным распределением в нем твердого электролита Li0.5La0.5TiO3 (рис. 2).
Влияние легирования титаната лития лантаном (III) на дисперсность синтезируемого материала может быть связано с образованием структурных дефектов, которые создают микронапряжения и не позволяют формировать относительно крупные кристаллиты, а также со специфической адсорбцией катионов допанта и локализацией его преимущественно на межзеренных поверхностях, что обусловливает образование избыточных дефектов и в приповерхностной области формирующихся частиц порошка.
В соответствии со спектрами электрохимического импеданса (рис. 3) увеличение дисперсности порошков титаната лития, их легирование катионами лантана (III) и формирование композитов, содержащих твердый электролит Li3xLa2/3-xTiO3, существенным образом сказывается на электропроводности материала: позволяет повысить проводимость керамики синтезированного материала на 2–3 порядка – с 1,7•10-7 до 5•10-5 См·см-1.
Рис. 1. Зависимость среднего размера частиц порошков титаната лития от температуры термообработки. Время термообработки (час.): 1 – 2; 2 – 8; 3 – 2, порошок легирован 0,5 мас. % лантана (III)
Рис. 2. Рентгенограмма порошка титаната лития (Li4Ti5O12) с равномерно распределенным в нем твердым электролитом (Li0.5La0.5TiO3). Температура обработки 800 °С
Повышение проводимости при модифицировании титаната лития катионами лантана (III) обусловливает улучшенные зарядно-разрядные характеристики и их стабильность при циклировании композита. Причина может состоять в том, что повышение дефектности структуры за счет встраивания ионов лантана (III) в кристаллическую решетку титаната лития уменьшает препятствия для диффузии Li+ и повышают его коэффициент диффузии.
Рис. 3. Годографы электрохимического импеданса (Ом) при 25 °C титаната лития состава Li4Ti5O12 (1) и композита Li4Ti5O12, содержащего твердый электролит Li0.5La0.5TiO3 (2)
Результаты исследования электрохимического поведения полуячеек при скорости циклирования 0,05 и 0,2 С в диапазоне 3–1 В (рис. 4, а и б) показали, что ход зарядных и разрядных кривых практически идентичен. Образцы характеризуются схожим поведением, типичным для титаната лития, что говорит о едином реакционном механизме. При скорости циклирования 0,05 С процессы интеркаляции-деинтеркаляции протекают в широком диапазоне степеней превращения практически при постоянном потенциале, который на плато кривых составляет 1,5 В. Кривые имеют вид, характерный для процессов обратимого типа. Постоянство потенциала для процессов заряда-разряда показывает, что циклирование макета аккумулятора происходит практически без участия фаз переменного состава.
Рис. 4. Зарядно-разрядные кривые макетов полуячеек при цклировании током 0,05 C (а) и 0,2 C (б). Анодный материал: 1 – титанат лития; 2 – титанат лития, легированный 0,5 мас. % La (III); 3 – титанат лития, легированный 4 мас. % La (III)
Хотя различие в генезисе материала не сказывается на значении потенциала интеркаляции-деинтеркаляции катионов лития, в целом легирование лантаном (III) на стадии синтеза прекурсора приводит к повышению емкости материала и стабилизации ее при циклировании. Апробация образцов порошков на основе титаната лития в качестве анодного материала показала хорошую циклируемость. Емкость макетов на первых циклах при 0,05 C близка к теоретической и составляет 175–190 мА·ч/г. После 40 циклов емкость легированных образцов практически не снижается, а нелегированный титанат лития показывает небольшую деградацию емкости, которая уменьшается до 170 мА·ч/г. При скорости циклирования 0,2 C наблюдается уже существенная деградация емкости нелегированного титаната лития: она уменьшается от 150 мА·ч/г на первых циклах до 120 мА·ч/г через 40 циклов. В ходе последующего многократного циклирования наблюдается снижение интенсивности деградации емкости. Для легированного лантаном (III) титаната лития наблюдается увеличение емкости материала и уменьшение ее деградации при многократном циклировании. Значение емкости образца 2 уменьшалась от 160 мА·ч/г на первых циклах до 140 мА·ч/г после 40 циклов. Деградации емкости образца 3 не наблюдалось: ее значение составляло 165–170 мА·ч/г при многократном циклировании. Полученные результаты позволяют сделать вывод о повышенной обратимости процесса интеркаляции-деинтеркаляции Li+ в структуре титаната лития при его легировании катионами лантана (III).
Выводы
Методом ионного обмена в водной среде синтезирован гидратированный прекурсор с отношением Li:Ti=4:5, его термообработка обеспечивает получение наноразмерных монофазных кристаллических порошков титаната лития состава Li4Ti5O12 со структурой кубической шпинели. Легирование титаната лития катионами лантана (III) до 4 мас. % не меняет кристаллическую структуру материала, но увеличивает дисперсность порошка. Такая зависимость может быть связана с образованием структурных дефектов, которые создают микронапряжения и не позволяют формировать относительно крупные кристаллиты, а также со специфической адсорбцией катионов допанта на межзеренных поверхностях, что обусловливает образование избыточных дефектов в приповерхностной области частиц порошка. Увеличение содержания введенных в состав материала катионов лантана (III) позволяет получить композитный материал титаната лития Li4Ti5O12 с равномерным распределением в нем твердого электролита Li0.5La0.5TiO3. Уменьшение размеров частиц порошков титаната лития состава Li4Ti5O12 при легировании катионами лантана (III) и формирование композитов, содержащих твердый электролит, увеличивает литий-ионную проводимость на 2–3 порядка, повышает и стабилизирует емкость, предотвращает деградацию материала при циклировании в режиме «заряд – разряд».
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ) в рамках научного проекта № 17-19-01522.
Литий-титанатные аккумуляторы – современно, удобно и долговечно
Литий-титанатные аккумуляторы – это разновидность привычных всем литий-ионных батарей. Выделяются в отдельную группу они потому, что их положительный электрод, анод, выполняется из специального сплава, титаната лития (Li4Ti5O12). Материал имеет некристаллическую структуру, увеличивающую поверхность соприкосновения с электролитом: один грамм имеет площадь 1002 метров, что выгодно отличает его от углерода с 32 метрами. Новое вещество обеспечивает высокую плотность тока. Это важнейший параметр для источника питания.
Плюсы и минусы
Причиной поиска новых путей развития технологии стало несовершенство имевшихся свинцовых, литий-железо-фосфатных и литий-ионных батарей. Они недостаточно безопасны, недолговечны и способны полноценно работать в узком диапазоне температур.
Проводились исследования соединений лития и титана. Как наиболее перспективное вещество был выделен титанат.
Характеристики соответствующих аккумуляторов очень высоки. Так, количество циклов зарядки-разрядки превышает 10 000. Емкость со временем снижается мало: на 20 % – при токе разряда 0,5С* после 10 миллионов циклов, а при токе разряда 3С после 10 тысяч.
Прямым следствием электрохимической и механической устойчивости структуры материала являются и показатели пожаро- и взрывобезопасности, которые несравнимо ниже, чем у литий-ионных элементов.
Российские и зарубежные в производстве придерживаются схожих стандартов:
Эффективность заряда-разряда колеблется пропорционально силе тока и составляет от 85 до 95 процентов. После 10 тысяч циклов она падает до 90, а после 20 – до 80 процентов.
Из недостатков стоит отметить невысокое напряжение и относительную малораспространенность технологии и незначительные объемы производства.
Первую проблему решают добором активных элементов, и она не является серьезной в свете меньшего их веса по сравнению с литий-ионными. А вот второе обстоятельство более весомо: литий-титанатные все еще имеют большую стоимость, чем другие виды аккумуляторов.
Немного истории
Технология начала проходить обкатку еще в 2011 году. Lp-TO аккумуляторы были установлены в городских автобусах Японии, на самых протяженных маршрутах.
К 2016 году экспериментальный транспорт суммарно преодолел более 700 000 километров. За это время у самых первых машин количество циклов перезарядки достигло 2 000 при падении емкости в 3 %.
Напряжение этих батарей равно 560 В, а емкость – 100 ампер-часов. Зарядка происходит посредством 400-киловаттного выпрямителя на специально оборудованных станциях.
Сейчас титанатный аккумулятор встречается уже и в электромобилях и электробайках. Хороший пример таких транспортных средств – Mitsubishi i-MiEV или Honda Fit EV.
Устройство и механизм работы
Именно анод определяет длительность жизненного цикла и уровень безопасности аккумулятора.
На подложку методом осаждения наносятся атомарные слои оксида титана толщиной менее 15 нанометров. После обжига они приобретают объемную полую структуру, состоящую из большого количества полых лент и больших полостей высотой до 30 и шириной до 150 нанометров.
Трехмерная поверхность имеет огромную площадь и рассчитана так, чтобы внутрь легко проникал электролит, взаимодействуя со всей поверхностью материала и осуществляя транспорт положительно заряженных ионов лития.
Формула протекающей электрохимической реакции такова:
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e- Li7Ti5O12
Катод обычно изготавливается из соединения кобальта LiCoO2. Взаимодействуя с кислородом, катода ионы лития отдают заряд и становятся нейтральными, вновь осаждаясь на аноде.
Внешне титановый аккумулятор выглядит стандартно. Для упаковки всех элементов используется пластик, композиты или цветной металл. Корпуса имеют форму призмы с прямыми углами или цилиндра. Для улучшения контакта и упрощения соединения многие модели снабжены клеммами.
Применение
Используют титанатные АКБ не только в электротранспорте в качестве основного источника энергии, но и в бензиновых автомобилях как замену обычному аккумулятору для стартера, освещения и автозвука.
Имеется значительный спрос на технологию и в сферах кораблестроения, авиастроения.
Применяют такие элементы питания также и в устройствах, для которых важна как бесперебойность работы, так и высокая степень автономности или мобильности: в светофорах, в телекоммуникационном и связном оборудовании, в резервных цепях питания.
Еще одна область применения – организация освещения в сочетании с солнечными батареями. Таким способом возможно обеспечить электроэнергией как улицу, так и внутренние помещения.
Постепенно литий-титанатные накопители проникают и в бытовые устройства: нередки теперь оснащенные ими телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты, видеокамеры, мобильное медицинское оборудование и даже велосипеды.
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.
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.
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.
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.
Где купить
Самая популярная емкость для титанат-батарей, используемых в различных АКБ, – 40 АЧ. Чаще всего такие модели имеют стандартное количество циклов перезаряда (20 700) и годятся для последовательного соединения в банки больших размеров.
Купить источники питания можно в интернет-магазинах. По отзывам, качественный товар приобрести проще на eBay (иБэй), а на Aliexpress (Алиэкспресс) весь ассортимент дешевле.
Перед покупкой стоит убедиться в добросовестности продавца. Иногда под видом новых продают списанные аккумуляторы.
Быстро найти необходимый ассортимент на сайтах торговых площадок можно по поисковому запросу LTO или Lithium-Titanate.
Помимо стандартных и распространенных типоразмеров присутствуют и более нишевые: в виде плоских гибких или защищенных жесткими листами ячеек, в форме стандартных батареек. Есть также уже готовые собранные аккумуляторы и блоки питания в корпусах.
Там же нетрудно найти и специальные зарядные устройства, рассчитанные на постоянный ток, нужные напряжение и силу тока.
Сколько стоит конкретный титанат-литиевый аккумулятор, зависит еще и от цены доставки: продавцы пользуются услугами различных почтовых организаций и курьерских служб. Поэтому стоимость в итоге может серьезно отличаться.
Заключение
Потенциальный рынок литий-титанатных аккумуляторов велик. Поэтому перспективы развития данной технологии более чем обнадеживающие. Продукция уже выпускается серийно, становится доступнее, так как цена на нее снижается. Растет и ассортимент.