Корпус для литий титаната своими руками

Все о литий-титанатных АКБ

Статья обновлена: 2020-12-11

Литий-титанатные аккумуляторы (Lithium Titanium Oxide или LTO) относятся к группе литий-ионных элементов питания. В роли электрода они содержат титанат лития – Li4Ti5O12. Накопители энергии типа LTO все чаще используются для обеспечения питания электромобилей, современных гаджетов, бытовой техники и энергетических систем.

При производстве титанатных аккумуляторов используется анод с развитой нанокристаллической структурой, выгодно отличающийся от пористого углерода в остальных типах Li -ion аккумуляторов. Благодаря нанокристаллической структуре:

1. ​увеличивается «полезная» площадь анода – 100 м²/г вместо 3 м²/г при углеродных анодах;
2. обеспечивается стабильная работа поверхности;
3. возрастает скорость переноса заряда;
4. повышаются допустимые токи;
5. увеличивается время работы устройства;
6. его эксплуатация становится максимально стабильной и безопасной.

Характеристики Li-Titanate

LTO аккумуляторы бывают призматической и цилиндрической формы. Распространенные размеры литий-титаната в форме цилиндра – 66160, 66260, в форме призмы – 681497, 11622106. Внешняя оболочка источников питания выполняется из пластика, цветного металла или композиционного материала. Для контакта внутренних стержней с напряжением и потребителем энергии предусмотрены металлические клеммы. Плюсовой контакт находится вверху, а отрицательный – внизу аккумулятора.

1. энергоемкость 30–110 Вт/кг;
2. номинальное напряжение – 1,9–2,4 В;
3. максимальное напряжение разряда – 1,5–1,7 В;
4. плотность заряда – до 177 Вт·ч/л;
5. выдаваемая удельная мощность при максимальной нагрузке – 3–5,1 кВт/кг;
6. циклическая эффективность заряд-разряд – до 95% при низких токах, до 85% при более высоких токах;
7. допустимые температуры окружающей среды – от –40 до +55 °C;
8. уровень саморазряда – 2–5% в месяц;
9. снижение емкости АКБ – на 10% после 10 000 циклов заряд-разряд, на 20% после 20 000 циклов;
10. эксплуатационный ресурс – до 40 000 циклов заряд-разряд.

Преимущества и недостатки LTO батарей

Небольшое внутреннее сопротивление.

Падение напряжения в зависимости от емкости.

Быстрый процесс зарядки – для восполнения заряда достаточно 6–10 минут с тех пор, как LTO подключили к зарядному устройству.

Сниженное рабочее напряжение 2,4 В, приводящее к уменьшению удельной энергии.

Долгая и стабильная работа.

Увеличенный жизненный ресурс – 20–40 тысяч циклов, благодаря использованию анода из титаната лития.

Высокие токи разряда и заряда. Способность обеспечивать наибольший поток энергии.

Необходимость утилизации по особым правилам – такие элементы питания являются отходами 2 класса опасности.

Возможность использования в сложных метеоусловиях.

Безопасность эксплуатации. Отсутствие нагревания при работе. Отсутствие риска перегрева.

Широкие возможности применения – для сборки литий-титанатных АКБ для персонального электротранспорта, светофоров, зарядных станций, мобильных медицинских устройств, систем резервного питания, устройств связи, видеокамер, погодных радаров, вилочных погрузчиков, ИБП и пр.

Коммутация и подключение литий-титаната

LTO батареи собираются из элементов питания по различным схемам. От того, как собрать АКБ из литий-титаната, зависит ее емкость и напряжение. Для увеличения выходного напряжения ячейки соединяются последовательно, а для набора емкости – параллельно. Количество используемых ячеек и способ их соединения зависят от необходимых характеристик АКБ.

Для безопасной и длительной эксплуатации накопителей энергии используются BMS платы. Эти контроллеры выбираются с учетом максимально допустимого напряжения, разрядного тока и числа ячеек, на которое рассчитана плата. BMS контроллер Li-Titanate выполняет следующие функции:

1. оценивает допустимый ток заряда и разряда;
2. определяет объем энергии, получаемый при подзарядке и отдаваемый при разряде;
3. контролирует внутреннее сопротивление каждого элемента питания в батарее;
4. отслеживает число рабочих циклов АКБ;
5. защищает АКБ от опасных процессов и продлевает срок ее службы.

Как отбалансировать литий-титанат

Использование BMS с системой балансировки обеспечивает равномерное распределение поступающего объема заряда между всеми элементами питания в аккумуляторной батарее. Благодаря этому увеличивается срок эксплуатации АКБ. При последовательном способе зарядки важно не допустить критического превышения напряжения ни на одной из ячеек. Для этого используется балансир. Он поддерживает напряжение на всех ячейках одинаковым, равным допустимому порогу.

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.
• Как устроены и как работают.
• Преимущества.
• Недостатки.
• Применение.
• Специфика эксплуатации и утилизация.
• Производители и ассортимент.
• Где можно купить?

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