Как устроен LTO аккумулятор

Литий-титанатные аккумуляторы (аббревиатура LTO, от словосочетания Lithium Titanium Oxide) – это подвид Li-ion накопителей, в которых вместо графита в аноде применяется титанат лития – соединение Li₄Ti₅O₁₂ или Li₂TiO₃. В роли катода обычно используется оксид лития-марганца или NMC.

Производство литий-титанатных аккумуляторов началось еще в 1980-х годах. В продаже они появились примерно в 2008 году, но до сих пор эти элементы питания не стали массово распространенными. Тем не менее, они успешно используются во многих сферах, в т. ч. для автономного питания электромобилей, уличных осветительных приборов на солнечных батареях, мобильных гаджетов, ИБП, бытовой техники и энергетических систем.

Характеристики LTO аккумуляторов

Элементыпитания типа LTO имеют следующие параметры:

• номинал напряжения 2,4 В;
• типичный диапазон напряжения 1,8–2,85 В на элемент;
• допустимое напряжение в разряженном состоянии 1,5–1,7 В;
• типичный ток заряда 1С, допустимый – 5С;
• ток разряда 10С, в импульсном режиме 30С, где С – номинальная емкость;
• накопление энергии 30–110 Вт·ч/кг;
• удельная мощность при предельной нагрузке 3000–5100 Вт/кг;
• эффективность 85–95%;
• температурный диапазон – от -40 до +55 °С;
• самопроизвольный разряд 2–5% в месяц;
• незначительное уменьшение емкости на морозе – на 20% при -30 °С;
• плотность заряда до 177 Вт·ч/л;
• ресурс – от 3 000 до 20 000 циклов перезарядки, у некоторых моделей до 40 000;
• ориентировочный срок службы 10–20 лет.

Сильные и слабые качества LTO

По сравнению с традиционными Li-ion аккумуляторами, литий-титанат имеет преимущества. Они обеспечиваются благодаря использованию вместо пористого углерода анода с нанокристаллическим строением и увеличенной эффективной площадью. Она составляет примерно 100 м²/г. Для сравнения, при углеродистых анодах она гораздо меньше – 3 м²/г. За счет прироста эффективной площади достигается бесперебойная работа поверхности, быстрый перенос заряда и увеличение допустимых токов.

LTO батареи:

• имеют нулевую деформацию;
• отличаются малым внутренним сопротивлением;
• не имеют пленки SEI и литиевого покрытия, которое у остальных аккумуляторов образуется при быстрой или низкотемпературной зарядке;
• отличаются термостойкостью;
• считаются максимально безопасными в эксплуатации;
• допускают сверхбыструю зарядку;
• обеспечивают максимальный поток энергии;
• не нагреваются при работе;
• радуют долгим сроком службы.

Поэтому литий-титанатные элементы питания нередко называют супераккумуляторами. Еще их называют «зелеными» источниками энергии – благодаря экологической безопасности и отсутствию рисков для окружающей среды при их эксплуатации. С другой стороны, у них низкая удельная энергия – от 50 до 80 Вт·ч/кг, хотя производители продолжают работать над повышением этого параметра и совершенствовать нанокристаллическую структуру анода. Диапазон напряжений узкий – от 2,8 В на элемент в заряженном состоянии до 1,8 В на элемент в разряженном виде.

Как устроен LTO аккумулятор

Li-титанатные аккумуляторы имеют форму цилиндра или призмы. Вверху размещен положительный контакт, внизу – отрицательный. Наружная оболочка изготавливается из пластика, композитного материала или цветмета. Для взаимодействия расположенных внутри стержней аккумулятора с потребителем, «+» и «-» напряжением у многих изделий есть клеммы из металла.

При работе аккумулятора в нем протекает реакция – одновременно происходит накопление и отдача тока. Накопление и отдача тока у LTO батарей происходит в больших объемах, чем в остальных элементах питания. Время зарядки литий-титанатных аккумуляторов минимально и составляет 6–10 минут. В остальном принцип работы LTO батарей такой же, как у остальных Li-ion элементов.

В аноде заряженные атомы хаотично движутся по матрице и при этом сохраняют напряжение. При разряде ионы Li проходят через катод и направляются наружу. При заряде они теряют исходное напряжение и остаются на аноде до дальнейшей зарядки. При заряде протекает обратный процесс, и так по кругу. Если внутри корпуса накапливаются газы, их пары отводятся через предусмотренные для этих целей отверстия.

Области применения LTO батарей

Li-титанатные аккумуляторы используются:

• в транспорте на электротяге;
• в вилочных погрузчиках и других видах складской техники;
• в светофорах;
• в зарядных станциях;
• на яхтах;
• в ИБП;
• в электростанциях;
• для автономного питания медучреждений, банков, центров коммуникации, станций связи, самоуправляемых метеорологических станций;
• в системах резервного питания;
• для уличного освещения при помощи солнечных панелей;
• в наручных часах, автономных медицинских приборах, видеокамерах, погодных радарах, цифровых аппаратах и других гаджетах.

Как выбрать LTO аккумуляторы

При выборе элементов питания необходимо учитывать особенности их предстоящей эксплуатации и необходимые параметры: емкость, напряжение, температурный диапазон. В любом случае важно убедиться в целостности внешней оболочки и отсутствии механических повреждений аккумуляторов. Для сборки аккумуляторной батареи важно использовать элементы с одинаковыми характеристиками и балансиры.

Особенности использования и утилизации LTO батарей

Такие элементы питания являются необслуживаемыми и нуждаются только в периодической подзарядке. Заряжают их при помощи подключения внешнего зарядного устройства, с подачей постоянного тока и с установлением стабильного напряжения до завершения процесса заряда. Уровень заряда периодически контролируется. В процессе эксплуатации важно проверять состояние корпуса и клемм, при выявлении признаков окисления и загрязнений – убирать их.

Литий-титанатные аккумуляторы нужно беречь от замыкания контактов и повреждений. При разгерметизации происходит разрушение пластин батареи. При наличии повреждений или в случае неработоспособности аккумулятор подлежит утилизации. Такие элементы питания относятся к отходам II класса опасности и утилизируются по предусмотренным правилам. Их рекомендуется сдавать на утилизацию в специализированные перерабатывающие компании.

Производители

Ведущими производителями Li-титанатных аккумуляторов выступают:

• Toshiba – эта компания производит быстрозаряжаемые LTO аккумуляторы на основе оксида титана-ниобия Super Charge Ion Battery (SCiB) с циклическим ресурсом более 25 000 и временем подзарядки 6 минут до уровня 90%;
• Altairnano – под этим брендом производятся LTO аккумуляторы серии Nanosafe, используемые в электромобилях и системах бесперебойного питания;
• Seiko – эта компания использует LTO аккумуляторы в кинетических наручных часах;
• Leclanché – под этим брендом выпускаются литий-титанатные элементы питания TiBox с циклическим ресурсом 20 000;
• YABO Power Technology – этот производитель выпускает LTO батареи для электротранспорта и систем хранения энергии.

Читайте в предыдущей статье нашего блога о возможности увеличения энергоемкости Li-ion аккумуляторов в 1,5 раза.