Литий-титановые аккумуляторы lto

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.

Устройство и механизм работы

Именно анод определяет длительность жизненного цикла и уровень безопасности аккумулятора.

Поэтому главное ноу-хау «титановой» технологии – положительный электрод, который создается специальным образом.

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.

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.

Использует в качестве катода

топливные элементы с расплавленным карбонатом

Литий титанат используется в качестве катода в слое одного катода с двойным слоем для расплавленного карбоната топливных элементов . Эти топливные элементы имеют два слоев материала, слой 1 и слой 2, которые позволяют для производства высокой мощности расплавленного карбоната топливных элементов , которые работают более эффективно.

Литий-ионные аккумуляторы

Li ₂ TiO ₃ используется в катоде некоторых литий-ионных батарей , наряду с водным связующим и проводящим агентом. Li ₂ TiO ₃ используется , потому что он способен стабилизировать большую емкость катод проводящих агент; LiMO ₂ (М = Fe, Mn, Cr, Ni). Li ₂ TiO ₃ и агенты проводимости (LiMO ₂ ) являются слоистыми, чтобы создать материал катода. Эти слои позволяют за возникновение диффузии лития.

Использование

Высокие энергетические характеристики титанатных аккумуляторов дают им преимущество при использовании в качестве тяговых на электрическом транспорте. Возможность быстрой зарядки позволяет упростить и сделать более эффективной систему рекуперативного использования энергии. Рекуперация на электрическом транспорте означает преобразование энергии, затрачиваемой на снижение скорости, обратно в электрическую, возвращаемую в аккумулятор. На практике это действует так:

• при торможении или снижении скорости тяговый электродвигатель, в силу обратимости, начинает работать как генератор;
• схема контроля и управления преобразует сгенерированную электроэнергию в пригодную для заряда;
• происходит зарядка аккумулятора.

Данная система способствует увеличению продолжительности поездки между интервалами подзарядки и увеличивает эффективность торможения.

Возможность отбора от батареи высоких значений разрядного тока положительно сказывается на динамических характеристиках электрических транспортных средств.

С тем же успехом титанатные источники питания могут использоваться в гибридных автомобилях, в которых силовая установка включает в себя обычный двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель постоянного тока с питанием от аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы системы LMO – Li4Ti5O12 (литий-титанат)

Сравнительные характеристики существующих систем
Все известные на сегодня источники тока в виде: свинцово-кислотных, щелочных аккумуляторов, промышленного применения, уже не выдерживают никаких сравнений относительно литий-ионных АКБ. Но и в современных системах сохранения энергии- литий-титанатные АБ стоят особняком из- за своих уникальных качеств. Ниже представлена сравнительная таблица свойств АКБ различных систем:

Низкая химическая активность электролита предотвращает появление слоя межфазного электролита (SEI), тем самым увеличивая диапазон рабочих температур и безопасность.
Способность  литий титаната поглощать молекулы кислорода в широком температурном диапазоне уменьшает риск термального разрушения и повышает безопасность.
Химические свойства литий титаната предотвращают появление и рост дендритов, тем самым снижая риск внутреннего короткого замыкания.

2.Физическая стабильность структуры наноматериала анода Li4Ti5O12

Разница в площади  поверхности активных масс составляет 103.  
Физическая стабильность структуры анода достигается тем, что ион лития при токообмене не разрушает и не изменяет морфологическую структуру кристаллической решетки активной массы.
Эта особенность структуры позволяет получить максимальное количество циклов заряд-разряд- до 1 000 000 при 10 % разряде и до 10 000 000 при 3-4% разряде при сроке службы 20-30 лет и многоразовом дневном заряде-разряде. При разряде в 80-100% количество циклов заряд-разряд соответствует 16-18 000, что соответствует 30 летней эксплуатации при цикле один раз в день.
Разряд и заряд токами до 10С ( где С- емкость элемента)

Такую стабильную емкость не имеет ни один из известных гальванических элементов. Способность данной системы производить такое количество циклов заряд-разряд  и возможность заряда-разряда максимально возможными токами (80% заряда можно получить за 10 минут) без ущерба структуре и целостности источника тока даже при низких температурах делают этот продукт уникальным.

Возможность заряда-разряда при предельно низких ( до -50 С) и предельно высоких температурах ( испытаны при + 50 С)

Сохранение работоспособности при + 240 С.

Тестирование целостности и сохранения электрических параметров аккумулятора при 240 C

Основные экономические показатели:
nLiTiO  приносят больший экономический эффект чем другие аккумуляторы

Для выполнения различных задач мы используем как ячейки по 13А.h и 64 А.h ALTAIRNANO номинальным напряжением 2.26 V, так и готовые модули- 60 A.h, номинальным напряжением 25 V.
Таблица характеристик продукции ALTAIRNANO:

Благодаря физико-химическим особенностям конструкции, данный тип аккумулятора обладает предельно низким значением саморазряда (очень важно для арсенального хранения- 30 лет) и полноценной работой при глубоких минусах, что играет существенную роль при использовании в климатических особенностях России.
Нашей компанией впервые в мире разработана и  применена в изделиях система модифицированного композита LTO энергоемкостью 120 Вт*час/кг в ячейках 10 и 40 А*час.Производятся испытания.
ЭТО УЖЕ РОССИЙСКАЯ РАЗРАБОТКА И ТЕХНОЛОГИЯ ИМЕЮЩАЯ АБСОЛЮТНУЮ ПАТЕНТНУЮ ЧИСТОТУ И МОЩНЫЙ ЭКСПОРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

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.

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.

Тэлко является дистрибьютером одного из крупнейших производителей двуокиси титана – компании Cristal

Лакокрасочная промышленность

Полимерная промышленность

Бумажная промышленность

разведение Тритий

Fusion реакции, такие как в предлагаемом ITER реакторе термоядерного демонстратора, подпитываются тритий и дейтерий . Тритий ресурсы крайне ограничены в их наличии, с общим объемом ресурсов , в настоящее время оценивается в двадцать килограммах. Литий-содержащий керамические камешки может быть использован в качестве твердых материалов нейтронов в качестве компонента , известного как гелий охлажденных нейтронов одеяла для производства трития. Размножение Одеяло представляет собой ключевой компонент ИТЭР конструкции реактора. В таких конструкциях реакторов тритии получают путем нейтронами , выходящие из плазмы и взаимодействующая с литием в одеяле. Li ₂ TiO ₃ наряду с Li ₄ SiO ₄ является привлекательным в качестве трития материалов , так как они обладают высоким высвобождением трития, низкой активацию и химической стабильность.

Литий титанатный аккумулятор: плюсы и минусы

Плюсами можно считать:

• невысокое внутреннее сопротивление;
• очень быстрая зарядка;
• бесперебойное и долгое время работы;
• высокие характеристики разрядных и зарядных токов;
• высокие эксплуатационные характеристики в сложных метеоусловиях;
• стабильность;
• безопасность.

Многие называют подобные изделия «зеленые» источники энергии, благодаря тому, что работу устройств можно считать экологически чистой. Жизненный цикл аккумулятора существенно увеличен за счет использования титанат лития при изготовлении анода. Устройство выдает более 20 000 циклов заряд-разрядов. При этом недостаток в том, что напряжение таких батарей падает в зависимости от их емкости. Пониженное рабочее напряжение 2,4 В из-за которого снижается показатель удельной энергии. Однако говоря о критических условиях работы данные аккумуляторы самые мощные среди аналогов, так как способны обеспечивать максимальный поток энергии.

Самым большим минусом LTO АКБ считается их медленное внедрение. Однако большая часть производителей начинает постепенно вводить сравнительно новую технологию производства электрических источников питания при создании подобных агрегатов.

Принцип работы и устройство литий титанатного аккумулятора

Внешняя оболочка конструкции – пластик, композиционный материал, реже цветной металл. Многие модели имеют металлические клеммы, через которые выполняется контакт внутренних стержней с положительным, отрицательным напряжением и потребителем энергии. Внешне устройство напоминает призму, цилиндр. Плюсовой контакт размещен вверху, а минусовой внизу батареи.

При работе батареи, в ней протекает определенная реакция. Ток накапливается и отдается одновременно, причем накопление и подача намного выше, чем в устройствах, созданных по другим технология производства. Подобные устройства можно зарядить до предела всего за 6 – 10 минут. При работе батарея не нагревается, поэтому перегрев полностью исключен. Основной принцип работы мало отличается от литий ионных батарей.

Отрицательный электрод сделан в виде слоеного графита. В нем идут беспорядочные процессы, атомы, заряженные электричеством перемещаются по матрице, сохраняя напряжение. При разряде ионы лития взаимодействуют с кислородом, пройдя через катод направляются наружу. Заряжаясь ионы лития утрачивают первоначальное напряжение и оседают на поверхности анода до следующей зарядки. Заряжаясь процесс повторяется, но в обратном порядке. При работе, внутри корпуса могут скапливаться газы, их пары выводятся через специальные отверстия или выхлопы.

Кристаллизация

Наиболее распространенная кристаллизация LiTiO – моноклиническая система. Моноклиническая система кристаллизации определена как три неравных топора с одним наклонным пересечением.

Стабильный моноклинический полиморф также известен как β-LiTiO. Дополнительно высокая температура кубическая фаза, показывающая поведение типа твердого раствора, упоминается как γ-LiTiO и, как известно, формирует обратимо выше температур в диапазоне 1150 °-1250 °C. Метастабильная кубическая фаза, isostructural с γ-LiTiO упоминается как α-LiTiO и, как известно, формируется из низких температурных процедур синтеза и преобразовывает к стабильной β фазе при температурах приблизительно 400 °C.

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.

Сортамент таков:

• емкость – от 2,9 до 23 А/ч;
• цикл заряд-разряд – до 40 тысяч с падением емкости не более 70 %;
• возможность буферного режима работы: время, затрачиваемое на заряд, – от 1 до 6 минут.

Собственные разработки позволили японской компании усовершенствовать анод, добавив в его состав оксид ниобия.

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.

Правила эксплуатации и утилизация

Первичная зарядка устройства определена химической реакцией катода и анода. Дальнейший заряд возможен через подключение внешнего прибора. Заряжают LTO батареи только при условии подачи постоянного тока, устанавливается постоянное напряжение до полного заряда. Подобные устройства считаются необслуживаемые. Если батарея повреждена либо отказала в работе, отремонтировать ее нельзя. Открытие крышки устройства, сразу же разрушает пластины батареи.

Заряд нужно периодически проверять специальными приборами. Специалисты обязаны просматривать корпус на сохранность, клеммы, при необходимости счищать окисления, грязь. Замыкание контактов недопустимо.

Аккумуляторы считаются отходами 2 класса опасности. Утилизация таких батарей должна выполняться по особым правилам. Поэтому производители рекомендуют при утилизации литий титанатных батарей сдавать их специальным заводам, компаниям, которые могут выполнить их правильную переработку.

Подобные накопители энергии стали прорывом в современном производстве аккумуляторов. Их по праву можно назвать совершенными, эффективными, безопасными. Однако их большой недостаток определен высокой стоимостью и рыночным дефицитом.

Как осуществляется производство LTO аккумуляторов

Многие производители (Seiko, YABO, Toshiba, Altair Nanotechnologies) постепенно начинают внедрять производство Lithium Titanium Oxide, на основе современной LTO (оксид титана) технологии. Работая по данной технологии производители сумели получить достаточно развитую нанокристаллическую структуру анода, что собственно и стало основным преимуществом изделий.

В отличие от пористого углерода, используемого при создании других видов литиевых аккумуляторов, нанокристаллическая структура позволяет большую площадь анода сделать «полезной», обеспечивая стабильность работы поверхности. Например, LTO технология позволяет получить эффективную площадь поверхности анода приблизительно в 100 м²/г, в то время как при углеродных анодах данный показатель около 3 м²/г.

Благодаря высокой площади анода, заряд переносится намного быстрее, характеристики допустимых токов выше. Все это обеспечивает продолжительность работы устройства, стабильность и безопасность эксплуатации.

Список источников

• IstochnikiPitaniy.ru
• akb-energy.ru
• www.telko.com
• 3batareiki.ru
• ru.qwe.wiki
• BatteryZone.ru
• ru.knowledgr.com