Почему литий-титанатные батареи (LTO) безопасны

Безопасность – главное качество, которое ищут промышленные потребители литиевых аккумуляторных батарей. Какой толк в высокой плотности энергии, если это может привести к пожару на складе или производстве? Для повышения безопасности литиевых аккумуляторов используют три подхода:

Постоянный мониторинг температуры и состояния аккумуляторных элементов, чтобы вовремя обнаружить неполадку, предотвратить инциденты. Для этого используют электронные платы системы управления батареей (BMS)
Установка систем терморегуляции, охлаждения, пожаротушения, вентиляции, отвода газов.
Разработка безопасных аккумуляторных элементов.

В конечном итоге именно химический состав и конструкция ячеек определяют конечную безопасность Li-Ion батареи. На 2023 год наиболее безопасными считаются два химсостава аккумуляторных элементов: LiFePO4 (LFP) и LTO. О первых мы неоднократно рассказывали в этом блоге. Сейчас рассмотрим второй вариант.

Безопасность LTO аккумуляторов

В аккумуляторных ячейках LTO в качестве анодного материала вместо графита используется пентатитанат лития. Использование этого материала увеличивает термостойкость, стабильность, долговечность литий-ионной батареи.

Пентатитанат лития в аноде дает следующие положительные качества: 1. Снижение риска разрыва изолятора из-за образования дендритов. 2. Почти нулевое изменение объема во время заряда-разряда, что предотвращает разбухание аккумулятора. 3. Быстрая зарядка, стабильная работа при низких температурах 4. Механизм самозащиты от внутреннего короткого замыкания. Давайте рассмотрим их по порядку

1. Отсутствие отложений дендритов на аноде

Накопление дендритов – одна из основных проблем литий-ионных аккумуляторов, а также причина внезапных внутренних коротких замыканий. Рост дендритных структур приводит к постепенной деградации ячеек литиевых батарей. Дендриты – это металлический литий, отложения которого распространяются в форме ветвей. Они образуются, когда анод подвергается перенапряжению. По мере роста они достигают сепаратора и пробивают его, приводя к короткому замыканию внутри ячейки. У аккумуляторов LTO нет проблем с образованием дендритов, что объясняется отсутствием в аноде углерода. В литий-ионных батареях с углеродным анодом ионы лития впитываются в материал анода при потенциале близком к 0,1 В по отношению к Li/Li+. Даже незначительное перенапряжение увеличивает вероятность отложения дендритов, например, при быстрой зарядке или зарядке при низких температурах. В анодах LTO внедрение ионов лития происходит при электрическом потенциале 1,5 В по отношению к Li/Li+, поэтому вероятность отложений крайне низкая.

2. Минимальные изменения объема при заряде-разряде

Почти все электродные материалы в литий-ионных аккумуляторах расширяются и сжимаются при заряде-разряде (поглощении или высвобождении ионов лития). Такие колебания объема могут быть довольно резкими, что приводит к деформации, разрушению материалов. В зависимости от химсостава электродных материалов, изменения объема достигают 5-15%. Особая кристаллическая структура литий-титанатной шпинели позволяет сохранять стабильность и почти не изменять объема. Это одна из основных причин длительного срока службы LTO аккумуляторов. Исследования показывают, что даже после 20 000 циклов зарядки-разрядки при температуре +35°С они сохраняют более 90% емкости.

3. Быстрая зарядка, работа при низких температурах

Литий-титанатные аккумуляторы способны к безопасной быстрой зарядке. Некоторые из них заряжаются до 80% SoC за три минуты, причем без образования дендритов. Пентатитанат лития в аноде также устойчив к низким температурам. Признаков образования дендритов или деградации не наблюдается при температурах до -20°С.

4. Самозащита от внутреннего короткого замыкания

Короткое замыкание в ячейках литий-ионных батарей нередко приводит к тепловому разгону и последующему возгоранию. Аккумуляторы LTO защищены от драматических последствий внутреннего короткого замыкания даже в случае повреждения ячеек. Если между катодом и анодом окажется какой-либо токопроводящий предмет, то ионы лития быстро высвободятся из прилегающего к месту короткого замыкания LTO анода, чем превратят анод в изолятор. В итоге путь протекания тока короткого замыкания будет перекрыт, а первоначальный тепловой выброс станет контролируемым.

Вывод

Литий-титанатные батареи (LTO) отличаются высокой безопасностью благодаря химсоставу анода. Они устойчивы к образованию дендритов, тепловому разгону, изменению объема при зарядке-разрядке, а также к низким температурам.

Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции Forklift.Blog.

Темы этой статьи:

Тяговые АКБ

Литий-ионные АКБ

Автор статьи: Энергинский К.А.
Специалист по аккумуляторной технологии
Автор-эксперт в области литий-ионных аккумуляторов

Опубликовано: 10 февраля 2023