Еще лет 20 назад были распространены свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи. Но технологии стремительно развиваются, и сейчас доступны литий титанатные аккумуляторы – подвид литий ионных источников питания. В отдельную группу они выделены по той причине, что их «плюсовой» электрод, то есть анод, сделан из особого сплава – титаната лития. За счет некристаллической структуры материала увеличилась площадь контакта с электролитом: площадь одного грамма – 1002 м, против 32 м углерода. Это обеспечивает высокую плотность тока – один из ключевых параметров для АКБ.
Особенности литий-титанатных аккумуляторов
Батарея типа литий титанат даже сегодня считается редкой, поэтому о ней мало кто слышал. Тем не менее продукция выходит на массовый рынок, и уже сегодня применяется во многих отраслях. Литий титановый источник питания служит электрическим накопителем энергии для бытовой техники, электромобилей, энергосистем и гаджетов.
Основой для производства таких АКБ служит современная LTO (оксид титана) технология. Работая по ней, удалось получить развитую нанокристаллическую структуру анода – это и стало особенностью.
Иные литиевые батареи изготавливают с использованием пористого углерода. Но за счет нанокристаллической структуры достигается большая полезная площадь анода, и это дает стабильную работу поверхности. К примеру, с LTO-технологией эффективная площадь анода – примерно 100 м2/г, а с углеродными анодами – порядка 3 м2/г.
Что дает увеличенная площадь анода: заряд передается быстрее, выше допустимые токи. Как итог – аккумулятор работает дольше, при этом характерен стабильностью и повышенной безопасностью.
Устройство
Корпус батареи делают из пластика, композиционного материала, иногда из цветного металла. Многие модели оснащены металлическими клеммами – они необходимы для контакта внутренних стержней с положительным, отрицательным напряжением и энергопотребителем. Визуально АКБ выглядит как призма, цилиндр. Контакт «плюс» находится сверху, «минус» – снизу.
Ключевое отличие от литий-ионной батареи в том, что угольный (графитовый анод) заменили химическим соединением, в основе которого – титанат лития. На подложку по особой технологии наносят сверхтонкие слои (15 нм) окиси титана. Впоследствии все это обжигают высокой температурой, и получается трехмерная структура, характерная развитыми крошечными полостями, с которыми обеспечивается увеличенная площадь поверхности. Вместе с этим химическая реакция между электродами и электролитом протекает как в поверхностном слое, так и по всему объему материала.
Принцип работы
В работающей батарее протекает реакция. В это время ток копится и отдается, причем в одно время, и куда быстрее, чем в АКБ, сделанных по иной технологии. Время, необходимое для полной зарядки – всего 6 – 10 минут. К тому же работающий источник питания не греется, что исключает вероятность перегрева. Что до самого принципа работы, он практически идентичен Li-Ion разновидностям.
«Минусовой» электрод представляет собой слоеный графит. Процессы, проходящие в нем, беспорядочны: атомы, заряженные током, двигаются по матрице и сохраняют напряжение. В ходе разрыва ионы лития связываются с кислородом, а когда проходят через катод – вырываются наружу. Ионы лития после подзарядки теряют изначальное напряжение и оседают на аноде, пока не произойдет следующая зарядка. В ходе подзарядки процесс повторяется, но уже в обратном порядке. Внутри корпуса работающей батареи накапливаются газы, которые удаляются через вентиляционные отверстия или вместе с выхлопами.
Российский аккумулятор, сделанный по технологии LTO, имеет те же характеристики, что и зарубежный, что соответствует стандартам. Эксплуатационные параметры:
- энергоемкость – от 30 до 110 Вт/кг;
- номинальное напряжение – от 1.9 до 2.4 В;
- предельное напряжение при разряде – от 1.5 до 1.7 В;
- плотность заряда – до 177 Вт х ч/л;
- удельная мощность при предельной нагрузке – от 3 до 5.1 кВт/кг;
- циклическая эффективность зарядки-разрядки – с низкими токами доходит до 95%, с высокими – до 85%;
- диапазон эксплуатационных температур – от -40 до +55° Цельсия;
- саморазряд – за месяц теряет 2 – 5%;
- снижение энергоемкости – после 10 тысяч циклов зарядки-разрядки теряет 10%, после 20 тысяч – 20%;
- ресурс – некоторые производители выпускают батареи, выдерживающие порядка 40 тысяч циклов зарядки-разрядки.
На новые аккумуляторы компании дают 10 – 20 лет гарантии, что зависит от конкретной модели.
Преимущества и недостатки
Плюсы новой технологии производства:
- малое внутреннее сопротивление;
- быстрая зарядка (всего 6 – 10 минут после подключения к ЗУ);
- бесперебойная, стабильная работа;
- увеличенный срок службы;
- высокие токи разряда и заряда;
- возможность работы в экстремальных условиях температуры;
- безопасны (не греются);
- применяется в разных сферах.
Такие батареи уже называют «зелеными», так как они характерны длительным сроком службы (больше 20 тысяч циклов зарядки-разрядки). А значит, на свалке они будут оказываться реже остальных разновидностей.
Рассматривая плюсы и минусы, надо отметить ряд недостатков. Во-первых, напряжение АКБ снижается в зависимости от их энергоемкости. А ввиду пониженного рабочего напряжения в 2.4 В это происходит быстрее. Второй немаловажный недостаток – внедряется новая технология не так быстро, как того хотелось бы.
Так как LTO-батареи относятся к отходам второго класса опасности, утилизировать их требуется по особым правилам.
Области применения
Так как работает изделие в широком диапазоне температур, характерно высокой емкостью, токовыми нагрузками, при этом безопасно – находит применение в разных приборах и устройствах:
- электротранспорт (велосипеды, самокаты, мотоциклы, электрокары);
- муниципальные устройства (фонари, светофоры, камеры, пункты раздачи Wi-Fi);
- общественный транспорт;
- банки;
- больницы;
- метеостанции;
- станции сотовой связи и телекоммуникаций;
- бытовые приборы;
- электронные устройства (ноутбуки, телефоны, смарт-часы, медицинские аппараты и пр.).
На данный момент LTO-аккумуляторы более всего применяются в сферах создания (ветровая, солнечная генерации) и накопления электроэнергии.
Титанатные батареи работают как основной источник энергии в электротранспорте. Но и в бензиновых машинах они применяются, как замена обычной АКБ для стартера, освещения, автозвука.
Правила эксплуатации и утилизации
Аккумуляторы, уже поступившие в эксплуатацию, считаются готовыми, то есть достаточно подключить их к нагрузке. Дело в том, что первичную зарядку определяет химическая реакция между катодом и анодом. В дальнейшем заряжают подключая к внешнему прибору, придерживаясь следующих моментов: постоянный ток и напряжение до окончания подзарядки.
LTO-изделия необслуживаемые, и если батарея «отжила свое», восстанавливать ее, вскрывать корпус бессмысленно: моментально разрушатся пластины.
Титанатные АКБ, уже отработавшие – отходы второго класса опасности. Утилизировать их следует по особым правилам. Этим занимаются специальные заводы и компании, занимающиеся переработкой.
Производители
В целом все батареи схожи, так как характерны одинаковым принципом работы. Есть несколько брендов, и каждый привнес в технологию что-то новое:
- Altairnano. Основным направлением является питание электромобилей;
- Toshiba. Скорость зарядки – черта продукции. 90% выпускаемых титанатных АКБ заряжаются за 5 минут;
- Leclanch. Изделия характерны числом циклов, достигающим 20 тысяч. Применяются в портативных приборах, сложных энергетических объектах (электростанции);
- Seiko. Выпускает специфичный источник энергии для научных кинетических часов. Раньше за хранение энергии отвечал конденсатор, а с батареей повысилась ремонтопригодность часов;
- Yabo. Их батареи устанавливают в системы хранения данных, электрокары.
Другие бренды не отстают, осваивая новые технологии.
Титанатные АКБ – прорыв в производстве источников питания. Они стабильные, быстро заряжаются, но пока что дорогие, и сложно сказать, в каких сферах будет наиболее масштабное применение.