Литий-титанатный аккумулятор

Литий-титанатный аккумулятор (LTO) — вариант литий-ионных аккумуляторов, использующий пентатитанат лития (Li4Ti5O12) в качестве анода вместо графита, применяемого в большинстве других вариантов. Для увеличения площади анод имеет нанокристаллическое 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. По состоянию на 2017 год литий-титанатные батареи способны обеспечить плотность энергии до 177 Вт*ч/л[1]. Кроме того, эти аккумуляторы имеют высокую надежность и могут без потерь работать при более низких температурах до минус 30 градусов, в отличие от классических литий-ионных, которые уже при минус 5 градусах снижают свои показатели на 20 %.

Недостатком литий-титанатных аккумуляторов является более низкое рабочее напряжение (2,4 В), что приводит к меньшей удельной энергии (около 30-110 Вт×ч/кг[1]), чем у обычных литий-ионных батарей, имеющих стандартное напряжение 3,7 В. Это ограничивает их применение в электротехнике и в ноутбуках, мобильных телефонах и смартфонах, которые стремятся к минимизации объёма и веса аккумуляторов.

Типичные пороги защиты от перезаряда и переразряда составляют 2,8-1,8 В. Это, в теории, позволяет заменить два NiCd- или NiMH-аккумулятора (в устройстве без балансировки ячеек, например, в домашней телефонной радиотрубке) на один литий-титанатный аккумулятор. С другой стороны, многие подобные устройства не обладают достаточно точным контролем уровня напряжения на аккумуляторе, жертвуя его ресурсом — но в случае с литиевыми аккумуляторами цена такого схемотехнического упрощения значительно возрастает из-за риска пожара.

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)[2][3] Phoenix Motorcars[4], Proterra (для микроавтобуса EcoRide BE35)[5].

Altairnano также устанавливает свои батареи в системах бесперебойного питания[6] и предлагает их для военных[7].

Toshiba

Toshiba выпустила литий-титанатный аккумулятор под маркой Super Charge Ion Battery (SCiB)[8][9], которая отличается сверхбыстрой зарядкой — до 90 % ёмкости за 6 минут[10], и длительным сроком службы — до 25 лет. Число циклов заряд/разряд: более 25000[11][10]. 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)[12][13].

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[14].

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 — 2,4 В/15 А×ч используется в электромобилях и системах хранения энергии.

Использование

Благодаря огромному ресурсу, своей сверхбыстрой зарядке и возможности эксплуатации при низких температурах этот тип батарей перспективен для применения в электрических автомобилях. Данная технология позволяет устанавливать аккумулятор, который будет работать дольше, чем сам автомобиль, и многих автопроизводителей это ставит в тупик, так как этим они увеличивают потребительский ресурс своих автомобилей, сокращая их потребительскую оборачиваемость.

SCiB-аккумуляторы используются в велосипедах Schwinn Tailwind electric bike[15], в некоторых японских версиях электромобиля Mitsubishi i-MiEV[16], электромобиле Honda Fit EV[17] и электроскутере Honda EV-neo[18]. Этот тип аккумуляторов имеет большой потенциал использования в общественном транспорте. Например, в проекте TOSA используется высокая скорость зарядки SCiB-батареи для 15-секундной подзарядки аккумулятора на автобусных остановках.[19]

Литий-титанатные аккумуляторы очень выгодно используются в альтернативной энергетике как накопители и хранители энергии, вырабатываемой солнечными панелями и ветряными генераторами, ввиду высокого КПД сохранения энергии, равному 96 %, и очень низкому саморазряду, равному 0,02 % в сутки.

Развитие семейства

Карбон-титанатный аккумулятор (Carbon titanate cell LPCO) является вторым поколением литий-титанатных аккумуляторов, разработанных американской компанией Microvast(USA) и изготовленных на основе пористого углерода титаната лития (Li4Ti5O12) (porous carbon).

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.

См. также

Примечания
  1. All About Batteries, Part 12: Lithium Titanate (LTO) (недоступная ссылка). EETimes. Дата обращения: 14 октября 2017. Архивировано 26 июня 2018 года.
  2. Page, Lewis. Blighty's electro-supercar 2.0 uncloaked today, The Register (22 июля 2008). Дата обращения 22 июля 2008.
  3. Welcome to Lightning Car Company (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 27 мая 2008 года.
  4. The All-New Phoenix SUV (недоступная ссылка). Phoenix Motorcars. Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 10 марта 2008 года.
  5. Proterra - Cost effective solutions for clean transportation (недоступная ссылка). Proterraonline.com. Дата обращения: 6 июля 2010. Архивировано 11 октября 2008 года.
  6. Altair Nanotechnologies (2008-11-21). Altair Nanotechnologies Announces Successful PJM Market Acceptance of the First Grid-Scale, Battery Energy Storage System. Пресс-релиз. Проверено 2010-07-06.
  7. Altair Nanotechnologies. Altair Nanotechnologies Power Partner - The Military. Пресс-релиз. Проверено 2010-07-06.
  8. Kouji Kariatsumari. Toshiba's New Secondary Battery Squashed ... No Explosion, Fire ... Why?. Nikkei Electronics (12 декабря 2007). Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 1 мая 2012 года.
  9. TOSHIBA - Rechargeable battery SCiB (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 1 мая 2012 года.
  10. Toshiba unveils new battery prototype — PC & Tech Authority
  11. SCiB™ Cells | Products | TOSHIBA Rechargeable battery SCiB™. www.scib.jp. Дата обращения: 28 ноября 2016.
  12. The Lithium Ion Battery Market Supply and Demand // ARPA E RANGE Conference, January 28, 2014 (англ.): «Lithium Titanate (LTO) › Energy density: 60 Wh/kg to 105 Wh/kg»
  13. Toshiba (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 февраля 2011. Архивировано 2 октября 2009 года.
  14. Toshiba (2017-10-03). Toshiba разрабатывает литий-ионную батарею следующего поколения с новым анодным материалом. Пресс-релиз. Проверено 2010-10-14.
  15. Schwinn Electric Bikes | 2009 Tailwind | Electric Bike Technology (недоступная ссылка). Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 17 марта 2009 года.
  16. Mitsubishi Chooses Super-Efficient Toshiba SCiB Battery For EVs, Integrity Exports (18 июня 2011). Дата обращения 14 октября 2017.
  17. Toshiba’s SCiB battery for the Fit EV. Green Car Congress (17 ноября 2011).
  18. Honda begins European demonstration program of EV-neo electric scooter. Green Car Congress (15 июня 2011).
  19. TOSA2013 Архивная копия от 25 мая 2014 на Wayback Machine: The project aims to introduce a new system of mass transport with electric «flash» recharging of the buses at selected stops.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.