Литий титанат для чего используется

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.

Источник

Титанат лития — что это?

Статья обновлена: 2021-01-18

О литий-ионных аккумуляторах слышали многие: это давно зарекомендовавший себя вариант источника питания, высокопроизводительный и надежный. Что такое титанат лития, знают не все. LTO является перспективной технологией, другим типом литиевых батарей, где используется оксид титаната лития. Этот электродный материал применяется в LTO-батареях в качестве анода, так как отличается рекордной электрохимической стабильностью.

Аккумуляторы с литий-титанатом работают в более широком диапазоне температур, чем Li-ion, чем заслужили репутацию безопасных устройств. В данной статье мы расскажем, для чего нужен литий титанат и чем он лучше других хим.веществ в составе аккумуляторов.

Устройство батареи LTO

LTO — это аккумулятор, представляющий собой модифицированную версию литий-ионных батарей. На поверхности анода нанесен Li₂TiO₃ — титанат лития. За счет нанокристаллической структуры анод приобретает площадь поверхности в 100м2 на каждый грамм вещества (для сравнения, углерод имеет всего 3 м2 на грамм). Такое строение позволяет электронам быстро перемещаться, входя в анод и выходя из него, обеспечивая высокие токи и быструю перезарядку устройства.

Сравнивая другие типы литиевых АКБ и LTO аккумуляторы, характеристики Lithium Titanate заметно выигрывают по многим параметрам. Данные батареи рассчитаны на хранение и доставку токовых пиков, превосходя своих оппонентов в 30-100 раз.

Низкое рабочее напряжение объясняет великолепный уровень безопасности. Так как эти элементы питания совсем не используют углерод, в них не бывает перегрева или термической утечки — а именно эти причины обычно приводят к поломке в традиционных источниках питания.

Преимущества и недостатки LTO аккумуляторов

В составе источников напряжения литий титанат лучше других материалов в контексте таких характеристик:

Решение использовать литий-титанат практически лишено недостатков. Одним из немногочисленных минусов называют меньшая плотность энергии (30-110 Вт*ч/кг), если сравнивать батарею с оксидной литий-кобальтовой (150-200 Вт*ч/кг), которую часто применяют для ноутбуков и телефонов. Этот показатель связан напрямую с более низким уровнем внутреннего напряжения: LTO работает с 2,4 В, когда у традиционных литий-ионных батарей напряжение 3,7 В.

Применение АКБ с литий-титанатом

О прорыве в изобретении наноструктурированной технологии литий-титаната заявили в 2005 году — это сравнительно молодая методика хранения энергии.

LTO применяются в электромобилях (в частности, компаниями Altairnano, Phoenix Motorcars, Lightning Car, Protera), во вспомогательных службах электросетей. Компания Toshiba разработала Super Charge Ion Battery, которая заряжается до 90% за рекордные 10 минут. Эти аккумуляторы применяются для японских электрокаров Mitsubishi i-MiEV и Minicab MiEV. Среди электровелосипедов с SCiB батареями на рынке представлены EV-neo и Fit EV производства Honda. Фирма Seiko выпускает наручные часы с аккумуляторами этого типа.

О выборе зарядного устройства для литий-титанатных АКБ можете прочесть наш предыдущий материал.

Источник

На Токе заряженный портал

Литий-титанатные аккумуляторы — На токе

Литий-титанатные аккумуляторы

В наше время, учёные, что только не придумывают и особое внимание они уделяют накопителям энергии. Во времена наших дедушек и бабушек не было столько электрических приборов, как сейчас, и то, подавляющее их количество было приковано к электрическим розеткам — автономное питание тогда являлось исключением, а не правилом. Для современного же человека, аккумуляторная батарея девайса как воздух — без качественных долгоиграющих АКБ, просто не возможно представить нынешние гаджеты, которые уже давным-давно не нуждаются в проводах и которые, есть возможность брать с собой куда угодно, причём на долгое время. На рынке можно найти огромное количество самых разнообразных накопителей, имеющих те или иные преимущества, свою специфику и отличающихся по цене.

Самой большой популярностью у населения пользуются литий-ионные батареи и в данной статье, я хочу пролить свет на такую их разновидность, как литий-титанатные АКБ, выделенные в отдельную группу. Их плюсовой электрод, анод, изготовлен из такого сплава как титанат лития (Li4Ti5O12), имеющего некристаллическую структуру, увеличивающую поверхность соприкосновения с электролитом: 1 гр этого вещества обладает площадью 100 м2, что выводит его на первое место в соревновании с углеродом, с тремя м2. Такой продвинутый состав способствует высокой плотности тока, которая является важнейшим параметром для АКБ.

Содержание:

Немного истории

Технологию начали обкатывать ещё в 2011-ом году: в Японии литий-титанат АКБ ставили на городские автобусы, обслуживающие самые длинные маршруты. К 2016-му году, экспериментальные автобусы суммарно накрутили более 700 тыс. км и у самых первых из них, число циклов перезарядки дошло до 2 тыс. при снижении ёмкости в 3%. Напряжение данных аккумуляторов достигало 560 V, а ёмкость — 100 Ah. Заряжаются они посредством выпрямителя на 400 кВт, который присутствует на специально оборудованных станциях зарядки.

Сегодня же, LTO накопители можно встретить и на электрокарах, и на электробайках. К примеру i-MiEV от Mitsubishi и Fit EV производства Honda, оборудованы именно титановыми АКБ.

Учёные искали новые пути развития технологии по причине несовершенства Li-ion и LiFePO4 аккумуляторов. Разработчики считали, что их срок эксплуатации мог бы быть и побольше, безопасность могла бы быть выше, да и способность эффективно работать в узком диапазоне температур тоже не мешало бы повысить. Были исследованы соединения титана и лития, и по итогу, как самое выгодное вещество, выделили титанат.

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.

Преимущества литий-титанат батарей

Характеристики титаната

1. Большая удельная ёмкость LTO батарей — до 60%.

2. Предлагает возможность зарядки предельным током 10С. С таким показателем, титановая АКБ «заправится» до 80% всего за пять минут, а есть и такие модели, которые зарядятся чуть ли не мгновенно, за одну минуту!

3. Относительно недорогостоящий и долговечный.

4. Электроды изготовленные на его основе, в значительной степени уменьшают время зарядки.

5. Высокая ионная и электронная проводимость.

Преимущества литий-титанат аккумуляторов

1. Число циклов заряда/разряда превышает 10 тыс.

2. Минимальное снижение ёмкости со временем — на 20% при токе разряда 0,5С после 10 млн. циклов, а при токе разряда 3С — после 10 тыс. циклов. Саморазряд не превышает 5% в месяц от общей ёмкости.

3. Эффективность зарядки/разрядки варьируется пропорционально силе тока и составляет 85-95%. После 10 тыс. циклов она снижается до 90%, а по прошествии 20 тыс. — до 80%. Результаты конечно впечатляющие, но даже они не являются пределом: более продвинутые и дорогостоящие экземпляры нового поколения, обыгрывают своих предшественников по этому параметру в два раза.

4. По сравнению с литий-ионными оппонентами, титановая разновидность имеет куда более низкую взрывоопасность и возгораемость.

5. Могут работать в широком диапазоне температур (-40. +55 градусов) не теряя при этом в эффективности.

6. На литий-титанат АКБ, производители дают большую гарантию — более 10 лет, а на отдельные модели — все 20!

7. Низкое внутреннее сопротивление.

Недостатки литий-титанат аккумуляторов

Как и у всех батарей, у LTO имеются недостатки. Так, можно отметить невысокое напряжение и относительно малую распространённость — производители по только им известным причинам не спешат внедрять продвинутую технологию в массы. Первое обстоятельство решается добором активных элементов и в общем, данная проблема не является существенной на фоне меньшей их массы по сравнению с Li-ion изделиями. А вот с распространённостью, дела обстоят хуже: LTO электронакопители на данный момент по стоимости дороже некоторых других видов аккумуляторных батарей.

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.

Специфика эксплуатации и утилизация литий-титанат батарей

Потребителю литий-титанат АКБ поставляются уже готовыми для подключения к нагрузке, а зарядка осуществляется посредством специального оборудования постоянного тока. Если пользователю досталось бракованное изделие либо оно было повреждено в процессе эксплуатации, восстановить его уже не получится, так как физическое проникновение во внутреннюю часть элемента необратимо разрушит пластины, то есть, литий-титанат АКБ, к сожалению, не являются обслуживаемыми.

Заряд LTO нужно периодически проверять с помощью специально предназначенных для этого приборов. Также необходимо производить осмотр корпуса — он не должен иметь никаких дефектов. Если на клеммах имеет место окислительные процессы или грязь — нужно провести очистительные мероприятия. Замыкание контактов на литий-титанат батарее недопустимо.

Что касается вопроса утилизации, то отработавшие своё аккумуляторы относятся ко второму классу опасности отходов, поэтому для них предусмотрена специальная процедура утилизации. LTO сдают на специальные заводы или фирмы, которые занимаются их правильной переработкой.

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.

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.

Что касается вопроса покупки «титана», то его можно найти в интернет-магазинах и судя по отзывам публики, качественную продукцию есть возможность заиметь на таком популярном виртуальном аукционе как eBay. А вот не менее популярный Aliexpress, качественным товаром частенько не располагает, зато там всегда большой ассортимент и низкие цены. В любом случае, где бы вы не надумали приобрести вожделенную высокотехнологичную батарейку, дефицитную кстати, первым делом убедитесь в добропорядочности предпринимателя. Это очень важно, потому как бывают такие недоразумения, когда под видом новых, в продажу идут списанные электронакопители! Подобное обстоятельство, естественно, никого из пользователей обрадовать не может, так что, скрупулёзная проверка не помешает никому.

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.

Источник