литий титанат что это такое
Электробусы и их батареи: что такое литий-титанат? (Part.1)
фото c сайта www.zr.ru
Друзья здравствуйте, всем здоровья, берегите себя, антисептики — наше ВСЁ!
Сегодня попробуем рассмотреть московские электробусы по мотивам статьи в журнале «За рулем» в части используемых литий-титанатных батарей (Li4Ti5O12 или LTO), их стоимости и перспектив эксплуатации, также попробуем разобраться, почему литий-титанат не подходит для промышленных решений в ИБП.
После нашей статьи «Li-Ion технологии: удельная стоимость снижается быстрее прогнозов» вызвал интерес литий-титанат как «не автомобильный» литий. На мой взгляд LTO как раз и является самым что ни на есть тяговыми батареями, которые совершенно не подходят для работы в качестве аккумуляторных батарей в ИБП и телекоме. Почему? Давайте разберемся под катом, структуру статьи условно разделим на три части:
Что такое электробус и почему LTO?
Для начала разберемся в статье и «выудим» нужные нам данные
Но в мире нет пока семилетних электробусов, чтобы опереться на практический опыт, а потому приходится верить расчетам на бумаге. В частности, никто не берется предсказать, как просядет емкость с годами и сколько раз за день придется подключать к сети уже не новую машину.
Таким образом на основе статьи имеем:
… на этом пока все, продолжение следует.
UPD: С чего начнём следующую — химическую — часть:
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.
[54]-[Автозвук]-F.A.Q. по Литий Титанату (LTO)
Доброго времени суток. Сегодня речь пойдет о достаточно известных в узких кругах любителей громкой музыки и неизвестных для других видах аккумуляторных батарей (далее — АБ) — Li4Ti5O12 (далее — LTO/литий титанат). Будут рассмотрены некоторые интересующие вопросы, развеяны мифы, распространяемые теми людьми, которые об LTO знают только из статей в интернете.
1. Что такое LTO?
Литий титанат (АБ) – вариант литий-ионных аккумуляторов, использующий титанат лития (Li4Ti5O12) в качестве анода. Для увеличения площади анод имеет нано кристаллическое 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. Кроме того, эти аккумуляторы имеют высокую надежность и могут работать при более низких температурах, чем классические литий-ионные (-30 °C).
Недостатком литий-титанатных аккумуляторов является более низкое рабочее напряжение (2,4 В), чем у обычных литий-ионных, имеющих стандартное напряжение 3,7 В.
2. Как скоммутировать литий титинат и виды коммутации АБ?
Сколько АБ обычно установлено в гражданском автомобиле? Кто то скажет одна, ну две максимум. В моем авто на данный момент установлено 12 Аккумуляторов или 2 АБ. По сути так и есть. Т.к. у одной «банки» (отдельно взятой АБ LTO) рабочее напряжение в среднем 2,3 В-2,4 В, то для коммутации в авто, для достижения рабочего напряжения необходимо соединить последовательно 6 отдельно взятых аккумуляторов.
Данное соединение характеризуется тем, что суммарное напряжение АБ увеличивается кратно количеству используемых аккумуляторов. Т.е. 6 аккумуляторов по 2,3 В дает суммарное напряжение секции при последовательном соединении 13,8 В. Кто еще не понял в чем различия прикладываю схему. Как можно заметить. «плюсовой» токовывод одной АБ соединяется с «минусом» токовывода другой АБ и так далее.
Две такие сборки с емкостью 30Ач и напряжением 13,8 В я соединил параллельно, т.е. главный «плюсовой» токовывод одной секции соединил с другим главным «плюсовым» токовыводом другой секции, аналогично поступил с минусом. Хотя его можно было и не протягивать т.к. есть любители «брать минус» с кузова. В случае с титанатом хватает одной протяжки провода.
3. Как защитить соединение АБ?
Т.к. две секции разнесены по разным частям авто (одна АБ установлена в багажнике, а другая под капотом в штатном месте) – то в обязательном порядке необходимо защитить соединение предохранителями. Предохранители должны быть, установлены не дальше 30 см от АБ, как задней, так и передней. Что же дает такая защита и зачем устанавливать два предохранителя. В первую очередь стоит отметить, что предохранитель защищает не потребитель тока, а провод. Два предохранителя обеспечат разрыв сети, в случае короткого замыкания, как от первой АБ, так и от второй, предотвратив возможность нагрева и возгорания кабеля, протянутого по салону.
4. Что нужно сделать перед коммутацией литий титаната?
Как сказано выше, каждая взятая «банка» литий титаната – это отдельно взятый аккумулятор. У каждой «банки» есть свои характеристики, перед зарядкой всех «банок» рекомендуется уравновесить их заряд до одинаковых величин. Для этого необходимо подключить 6, 12, 18 или более кратное количество «банок» вместе параллельным соединением. Это можно сделать при помощи обычного провода. Я использовал акустический провод 1,5 мм, плюс одной «банки» был подсоединен к плюсу другой «банки», так же нужно сделать с минусовыми выводами. Напряжение от более заряженной «банки» будет распределяться на менее заряженные «банки», как следствие напряжение уравнивается. Процесс не быстрый, все зависит от разбега напряжения в «банках». Я оставлял на ночь.
5. Чем соединять «банки» между собой?
Начнем с минусов. В отличие от литий железофосфата, у которого используются медные токовыводы, у титаната они алюминиевые. Как следствие для соединения «банок» необходимо использовать алюминиевые шины, которые в свою очередь обладают более плохими токопроводящими качествами, чем медь из-за большего удельного сопротивления практически в два раза: алюминий 0,027 Ом·мм²/м, медь 0,018 Ом·мм²/м. Так же стоить помнить, что при соединении токовыводов с кабелем лучше всего использовать облуженые кабельные наконечники, во избежание окисления.
12. Что такое балансир? Нужно ли его устанавливать?
Балансир это небольшая плата, которая подключается на литий и позволяет осуществлять контроль за напряжением отдельных «банок». Как было сказано выше у каждой «банки» LTO есть некоторые различия во внутреннем сопротивлении. От этого одна «банка» с бо’льшим сопротивлением берет заряд хуже нежели «банка» с меньшим сопротивлением. Как следствие в процессе эксплуатации может произойти разбег в напряжении «банок» (перезаряд или недозаряд). Собственно с помощью балансира можно этого не допустить. В основном применяются пассивные балансиры, работающие автоматически.
Вопрос нужен балансир или нет, на самом деле спорный. Все зависит от продавца лития. Я при покупке требовал от продавца комплектовать «банки» с примерно одинаковым внутренним сопротивлением, что позволило избежать проблемы разнозаряженности «банок». Вместе с тем, балансиры на каждую секцию были установлены.
В качестве эксперимента я проездил больше 3 месяцев на АБ без балансира, после чего замерил напряжение в каждой «банке». Значение напряжения варьировались с 2,33 В до 2,41 В (разница не критичная).
13. Как правильно установить балансир
Все нюансы были отображены в схеме, добавлю от себя, что достаточно провода 0,75 мм (я использовал ПВ-3).
14. Стоит ли дополнительно защищать банки LTO?
В качестве изоляции корпуса в LTO использована тонкая синяя пленка, которая легко повреждается. Так что да, для себя я выбрал дополнительную защиту в виде плотной термоусадочной трубки.
15. Сколько секций LTO можно соединить?
Сколько угодно все зависит от целей и бюджета. Главное, чтобы в секции число банок было 6.
Для моей системы с моноблоком в 4 кВт достаточно две секции по 30А ч.
16. Максимальный просад системы с установленным LTO?
Ниже 13,9 В не видел, при почти максимальных возможностях системы!
17. Какая цена?
Цена в сравнении с кислотными АБ выше, в сравнении с такими монстрами AGM, как Stinger и XS Power значительно ниже. Одна банка LTO стоит 2 000 руб. – 2 500 руб., балансир 2 000 руб., шины 300 руб. и того 1 секция в среднем 14 300 руб. и выше.
18. Нужно ли менять генератор на более продуктивный?
Нужно, но не обязательно. Мне хватает штатного обслуженного генератора 110А.
19. Можно ли соединять секции титаната различной емкости?
Да можно, но есть нюанс. Для примера
У нас есть 12 банок: 6 банок емкостью 40Ач, 6 банок 30 Ач. Необходимо соединить по 2 банки в пары, всего 6 пар. Каждая пара параллельное соединение (на выходе 2,4В и 75 Ач). Затем пары соединить последовательно (на выходе 14,4 В и 75 Ач).
20. Стоит ли покупать Титанат у частных лиц («С рук»). И на что обратить внимание?
Да можно, но при этом стоит оценить все риски заранее. Стоит понимать, что когда вы покупаете ЛТО у проверенного продавца, который занимается этим не первый год, вероятность купить качественный товар выше, чем вы купите ЛТО с рук. Для продавца важна в первую очередь не выручка, а общественное мнение. Попросту говоря, частник продал одну или две секции и слилися, а продавец живет этим. Стоит ли экономить пару тысяч решать вам.
Так на, что же все таки обратить внимание?
— В первую очередь на внешний вид банок. Изоляция не должна быть повреждена.
— Состояние шпилек. Не редко хозяева ЛТО перетягивают гайки, закручивая шины. Материал шпилек — алюминий и сломать их не составляет труда. Ремонтные пильки без углублений в центре и если приглядеться, можно увидеть место соединения.
— Состояние клапанов на секции. Они должны быть закрыты, взорванные клапана, говорят о смерти банки.
Наткнулся недавно на пост о продаже титаната: «Всем привет, продам литий титонат 55А, состояние 5/5, за подробностями в лс. Свердловская область.Могу отправить любой компанией к вам, за ваш счёт». Фото взорванной секции прилагаются, а так 5 из 5.=D
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.
А вы уже открыли для себя литий титанат? Он же LTO 🙂
Я ведь прошлой осенью вернул к полноценной жизни свою Webasto Termo Top C. Сначала поменял помпу на бесщеточный Bosh когда начала появляться ошибка перегрева, потому пришло время толи горелки, толи свечи. В итоге я поменял комплектом. И теперь у меня почти новая Termo Top C, которая радует меня легким стартом.
Но вот беда, пробеги у меня зимой маленькие. Грею меньше чем езжу. А еще хочу чтобы фен прогрел салон до того как я заведу двигатель. Таким образом на один прогрев уходит 3-4А. Фен у меня стоит в ящике с АКБ. Соответственно АКБ у меня один и самый обычный 90Ач. Уже кстати третий. Не любят они долго жить когда их насилуешь подогревателем в мороз. И вот, как пришла очередная зима, я опять задумался о правильной энергетике.
Наиболее известны 2 пути:
1. Наращивать ёмкость обычных кислотных АКБ. Чем больше ёмкость, тем больше зарядный ток, тем быстрее АКБ наберет утраченный заряд.Чтобы хоть как-то решить проблему Вебасто нужно иметь кислотный АКБ под 200Ач.
2. Найти и купить культовую Оптиму 55Ач за 20 с лишним тыр. Я кстати что-то не вижу их в продаже последнее время. Не только у нас в Омске, но и в целом по России. Оптима хороша тем что может взять зарядный ток куда больше чем обычный кислотный АКБ. 20А для нее нормально и этого в принципе достаточно.
Но я вот вдруг наткнулся на новое модное в определенных кругах решение.
Если Вы еще не в теме то встречайте
Культовые китайские фугасы на основе литий титаната LTO!
Литий-титанатный аккумулятор — вариант литий-ионных аккумуляторов, использующий титанат лития (Li4Ti5O12) в качестве анода. Для увеличения площади анод имеет нанокристаллическое строение.
Номинальное напряжение банки 2,4В.
Для сборки 30Ач в машину нужно 6 банок.
Цена за банку примерно 3000 рублей. Из Китая комплект из 6 примерно 15-16тр.
Кроме того нужно балансир. Существует решение стоимость примерно 1тр.
Размер:
Диаметр: 66мм
Длина без шпилек 160мм
Длина со шпильками 210мм
Максимальный ток разряда — 300А (10С) (Где-то пишут 15С)
Что думаете? Кто-то уже изучал тему? В ящик для АКБ вероятно можно запросто набить 60Ач., а может и 90А Но это для генератора будет уже довольно приличная нагрузка. Придется выключить свет 🙂
А это значит, что буквально за десяток минут АКБ вновь готов обеспечить энергией лебедку. Но я так думаю под лебедку надо 2×6 банок 60Ач. Чтобы догнать максимальный ток разряда до 600А.
PS Если я продолжу эту тему и поставлю себе LTO то обязательно отпишусь в БЖ. Ну а систематизированный материал как всегда появится на www.vizator.ru/body-elect…y-for-land-rover-defender
Land Rover Defender 2006, двигатель дизельный 2.5 л., 125 л. с., полный привод, механическая коробка передач — своими руками
Машины в продаже
Комментарии 72
Какие клеймы в замен медных?
а когда-то цена на 30а.ч была 7т.р потом 10.а щас хз скок стоит, вот это мега прыжок на цены у китайцев
Это б/у продукт. Сначала его недооценили либо просто не могли продать дороже. Сейчас, когда продукт распробован, ценник вырос. Он даже на б/у приблизился к цене нового.
