Lithium-titanátové baterie: opomíjená technologie s velkým potenciálem?

Václav Diopan - 18 Červen 2018

Zkratka LTO (lithium-titanate oxide) označuje alternativní, vývojově mladší verzi lithium-iontového článku. Anodu u něj tvoří sloučenina složená z oxidu lithného a oxidu titaničitého, narozdíl od tradičně používaného grafitu.SCiB akumulátor společnosti Toshiba, jedna z variant lithium-titanátové baterie

SCiB akumulátor společnosti Toshiba, jedna z variant lithium-titanátové baterie
foto: CC BY-SA 3.0

V současnosti LTO články ukrajují mizivý tržní podíl (přibližně 3 %) a zatím nic nenasvědčuje, že by se to mělo změnit. Ale je to tak dobře? Nyní opomíjená technologie ukrývá potenciál, který by se mohl hodit při přehození výhybky na trať ekologičtějšího směřování energetiky a dopravy.

Historie a současnost

Poprvé byl na laboratorním stole nový návrh anody včleněn do úplného funkčního článku v půlce 90. let, i když o vhodnosti LTO pro reverzibilní ukládání lithia do určitých míst v jeho krystalové mřížce typu spinel badatelé věděli od konce 80. let. Zájem o moderní materiál mimo vědeckou obec odstartovala americká společnost Altairnano.

NEPŘEHLÉDNĚTE

Mimochodem, právě tato firma zaměstnávala , jež v tuzemských a zahraničních informačních médiích zazářil se svým akumulátorem . Procházka v Altairnano pracoval s nanočásticemi oxidu titaničitého a zabýval se jak uchovat jejich fotokatalytickou aktivitu, vmíchají-li se do základu barvy coby pigment.

Společnost se v inovačním programu, který spustila v roce 2000, snažila vylepšit lithium-iontovou technologii, tak aby vyhovovala plánovaným záměrům (extrémní provozní podmínky). Dosažení cíle, jejímž výsledkem byl LTO článek, ohlásila v roce 2005. Posléze se vyvinuté vysokokapacitní moduly staly srdcem portfolia produktů vhodných pro velkoformátová úložiště elektrické energie a napájení dopravních prostředků.

Po nedosažení kýženého úspěchu Altairnano s jejím know-how koupí většinového podílu v roce 2010 převzala čínská společnost náležící do obchodního sdružení Canon Investment Holdings a vyrábějící lithiové články různých druhů, včetně LTO. Ta výrobu přesunula do Číny, která by ráda na poli produkce a vyspělosti akumulátorů dohnala Japonsko a Jižní Koreu.

VanHool Equi.City je hybrid tramvaje a autobusu. Vzhledově připomíná tramvaj, ale pohybuje se po silnici. Pohání ho buď diesel-elektrická jednotka nebo trolejové vedení. V útrobách skrývá SCiB akumulátor. Soupravy jsou nasazeny v deseti evropských městech.

VanHool Equi.City je hybrid tramvaje a autobusu. Vzhledově připomíná tramvaj, ale pohybuje se po silnici. Pohání ho buď diesel-elektrická jednotka nebo trolejové vedení. V útrobách skrývá SCiB akumulátor. Soupravy jsou nasazeny v deseti evropských městech.
foto: Nico54300, flickr.com, CC BY-NC-ND 2.0

Nejvíce elektrochemické zdroje Altairnano proslavil Dennis Berube. V roce 2007 ustanovil světový rekord v závodě elektrických dragsterů na čtvrt míle. Na konci měřeného úseku uháněl rychlostí 247 km/h. Pomohl mu k tomu vysoký výkon typický pro LTO. Rekord vydržel 7 let a překonán byl dragsterem poháněným lithium-polymerovým akumulátorem.

Dnes již LTO zdroje dodává na trh více výrobců. Mimo těch z Číny také společnost Toshiba. Jejich akumulátory SCiB se mimo energetický průmysl montují do osobních a užitkových elektromobilů Mitsubishi, hybridních vozů Suzuki, řady elektrických autobusů a rovněž do dalších pro akumulátory méně typických dopravních prostředků jako jsou kolejové vozidla.

Vlak Wilight express mizukaze provozuje Západojaponská železniční společnost.

Vlak Wilight express mizukaze provozuje Západojaponská železniční společnost.
foto: Wikimedia commons, CC BY 2.0

Například od roku 2017 v Japonsku jezdí hybridní drážní vozidlo (Wilight express mizukaze) poháněné dieselelektrickým soustrojím. Kinetickou energii při brzdění přeměňuje na elektrickou a ukládá do SCiB akumulátoru, kde pak čeká až bude potřeba při rozjezdu. V tokijském metru zase slouží soupravy ukrývající nouzový SCiB akumulátor pro bezpečný dojezd do nejbližší stanice při výpadku elektrického vedení.

V minulém roce Toshiba odhalila novou generaci SCiB článků založenou na příbuzné technologii, která kombinuje u anody oxid lithný a oxid niobičný (LNO - lithium niobium oxide). Obohacení anody o niob při zachování dobrých vlastností LTO umožnilo zvýšit gravimetrickou kapacitu článků na dvojnásobek předchozí generace SCiB. Čili na přibližně podobnou úroveň jakou disponují lithiové akumulátory s grafitovou anodou.

Toshiba plánuje nový SCiB začít prodávat v roce 2019. Své kupce si jistě najde, i když se lze pozastavit nad potřebou přidat na seznam nutných ingrediencí další drahý a vzácný prvek niob.

Čest starého kontinentu zachraňuje společnost ze Švýcarska pojmenovaná Leclanché s výrobními závody v Německu, produkující grafitové a LTO články vhodné k užití v podobných aplikacích, které už byly zmíněny.

Za zvláštní zmínku stojí uplatnění článků Leclanché v elektricky poháněném trajektu BB Green, jehož vývoj částečně sponzorovala Evropská unie. Plavidlo s hmotností 25 tun snižuje odpor při plavbě o 40 % vháněním vzduchu pod trup (AVS-Air Supported Vessel). Dokáže tak vyvinout úžasnou v dané kategorii nevídanou maximální rychlost 56 km/h.

Na nabíječku je elegantní BB Green připojen na 15 až 20 minut a na jedno nabití zdolá 14 námořních mil. Demonstrátor obdržel 200 kWh LTO akumulátor, ale pro sériovou výrobu, která by neměla být moc časově vzdálená, se počítá s 400 kWh.

Plavidlo schopné přepravit 80 pasažérů vyprojektovali v Norsku, postavili v Lotyšské loděnici a od roku 2016 až doposud ho testují a zdokonalují ve švédském Stockholmu. Tvůrci si od lodě slibují zavedení rychlé dopravy podél vodních cest, což dnes vylučuje nerentabilnost naftového lodního motoru.

LTO jsou úžasné - až na kapacitu a cenu

Ačkoli vlastností LTO článků mohou být u jednotlivých výrobců mírně odlišné, v základní charakteristice se shodují. Patří k nim nabíjení a vybíjení velkými proudy začínajícími na 10 násobku kapacity článku (10 C), avšak některé verze zvládají násobně vyšší zatížení. Dosáhne-li se těchto limitů, stačí reálně k dobití 10 a méně minut.

Další silnou stránkou LTO je dlouhá životnost s minimálním počtem cyklů 10 000. Obvykle spíš kolem 20 000 a více. To představuje 2-4 a vícenásobnou životnost běžných lithium-iontových článků.

K zahození rozhodně není ani velký rozsah jinde nevídaných provozních teplot od třiceti stupňů pod nulou do padesáti pěti až šedesáti nad nulou. Neznamená to jenom, že článek za daných podmínek funguje, ale činnost v zmíněném teplotním intervalu neovlivňuje kapacitu.

Nadto anoda zajišťuje bezpečnost eliminací růstu dendritů zodpovědných za zkrat s následným požárem nebo explozí. Většinu výše popsaných výhod zapříčiňují tři faktory.

Zásluhou nanometrových rozměrů částic má anoda velký kontaktní povrch s elektrolytem, dovolující rychlou výměnu lithia. Dále objemová změna elektrodového materiálu doprovázející lithiaci/delithiaci a vedoucí k degradaci článku je v porovnání s grafitem zanedbatelná.

Nakonec na rozhraní elektrody a elektrolytu téměř chybý pasivační vrstva SEI (solid electrolyte interphase). Chemicky jde o značně různorodou směs tvořenou anorganickými sloučeninami lithia a produkty rozkladu elektrolytu.

Interfáze propouští ionty lithia a brání v pokračování eroze elektrody, rozkladu elektrolytu, čímž stabilizuje článek, přesto je jí potřeba také chápat, jako bariéru zvyšující vnitřní odpor. Zároveň její zformování nevratně spotřebuje část aktivního lithia a navíc s časem roste a přispívá ke ztrátě výkonu a kapacity článku.

LTO technologie má ovšem kromě líce i svůj rub a ten stojí za důvodem, proč nedoznala zatím většího rozšíření. Předně, množství lithia vztažené na hmotnost anody, které pojme inovovaný materiál, tvoří přibližně polovinu toho, co se vměstná do grafitu.

Nevýhodu dále prohlubuje fakt, že napětí článku bude sníženo o jeden volt v porovnání s elektrodou z uhlíku. Částečně to lze napravit kombinací s vysokonapěťovou katodou, přesto se menší hodnota interkalační kapacity a napětí výrazně podepíše na energetické hustotě.

Hlavním problémem ovšem je, že vytvořit LTO anodu stojí více peněz. Nicméně, pokud by se pořizovací náklady podělily dobou provozu po kterou budou články sloužit, dost možná by vyšly cenově příznivěji v porovnání s grafitovým řešením.

Kde mohou být LTO články užitečné?

Kapacita ani cena LTO akumulátorů nenadchne. Ony dvě slabiny se jistě podílí za menším rozšířením. Ovšem lehkovážné zavrhnutí si akumulátor obsahující titan kvůli nim nezaslouží, protože existuje mnoho situací, kde menší obsah energie až tolik nevadí.

S celosvětovým tlakem na nízkoemisní dopravu a potřebou ukládat energii z obnovitelných zdrojů šance, že se LTO články dostanou do centra pozornosti, vzrůstá.

U stacionárních systémů, primárně zamýšleného uplatnění LTO, není potřeba zohlednit velikost ani hmotnost. Takže jsou výhody v tomto případě nad ostatními druhy článků zjevné.

Na druhou stranu, využití v dopravě klade požadavky pokud možno na nízkou váhu. Při tendenci prodlužovat dojezd elektromobilů by hmotnost akumulátorů byla těžko akceptovatelná a zbývá si tedy vystačit s nižším dojezdem nebo častějším, ale kratším dobíjením.

Ne vždy pro daný účel potřebujeme urazit několik stovek kilometrů najednou. Třeba užitkové vozy mohou plnit úkoly mnoho hodin a najedou málo kilometrů.

Ovšem nejperspektivnější se zdá jimi vybavit elektrobusy v městské dopravě. Obsahovaly by pouze malý a tudíž levnější akumulátor a dobíjely by ho při zastavení na vybraných zastávkách čí na konečné stanici.

Elektrobusy od americké firmy Proterra jezdí s velkými akumulátory značky buď Altairnano nebo Toshiba.

Elektrobusy od americké firmy Proterra jezdí s velkými akumulátory značky buď Altairnano nebo Toshiba.
foto: Wikimedia commons CC BY-SA 4.0

Takový koncept funguje u superkondenzátorů a LTO s nimi sdílejí schopnost rychle energii přijmout a vydat, díky nimž je mohou zastoupit. Na rozdíl od superkondenzátorů ovšem s LTO autobus při stejné hmotnosti zdroje ujede delší vzdálenost, čímž se zmenší investice do nabíjecí infrastruktury.

Do jiného soudku patří podivná absence průniku LTO do segmentu drobné elektroniky. Spotřebitel by možná uvítal možnost nabít mobil nebo notebook do deseti minut, i když by vydržel v činnosti jen polovinu času.

Době tlačítkových telefonů, které dokázaly pracovat celý týden, odzvonilo a nové se připojují k nabíječce tak často, že nutnost častějšího nabíjení telefonu by uživatel nepostřehl a nevadila mu. Zato by měl jistotu stálosti parametrů a to, že stačí strávit v časové tísni pouze chvilku u zásuvky.

Mimoto by se ještě obrátil trend v repasování. Zatímco dnes do starší elektroniky spíše pořizujeme nové akumulátory. S LTO bychom hledali způsob jak neznatelně opotřebený akumulátor zužitkovat z odepsaného zařízení.

Co lze na LTO vylepšit?

Navzdory skutečnosti, že se LTO článkům nedostává ze strany výrobců a odběratelů pozornosti, vědci pracují na jejich vylepšení, jelikož vnímají jejích slibný potenciál. Mohou těžit z pokroku týkajícího se elektrolytu a katody učiněným při výzkumu klasických Li-ion článků, protože ho lze teoreticky přenést i na LTO.

Se samotnou lithium-titanátovou anodou již moc udělat nejde. Aby zůstala zachována dlouhá životnost nelze hýbat s poměrem oxidů v anodovém materiálu, a tak se nezmění ani kapacita. Nová verze SCiB akumulátoru s niobem větší kapacitou disponuje a má i podobnou, i když přece jen nižší délku života, ale také jiné složení.

S takto rozdanými kartami je vývoj zaměřen na metody přípravy anody, které vlastnosti nebo cenu výsledných akumulátorů učiní přijatelnější. Například poslední objev mezinárodního týmu badatelů ukázal, že lze výrobu zjednodušit a ušetřit procesní teplo a přitom zrychlit nabíjení.

Hlavní metody přípravy zahrnují hydrotermální nebo sol-gel postupy. Jejich společným jmenovatelem je voda. Doposud zdravý rozum napovídal hmotu pro anodu vyžíhat dokonale při 500 °C do úplného zbavení vody. Vždyť její zbytky by mohly napáchat škody - reagovat s lithiem nebo elektrolytem.

O tom že to není nezbytné, přesvědčily nedávno publikované pokusy. Stačilo aby vzorek prošel částečným žíháním, při němž se odstranila pouze volná voda. Část ji zůstala v podobě hydrátu.

K podivu v rozporu s dogmatem dokonce elektrochemické studium prokázalo lepší účinnost než úplně vysušený vzorek. Zkoumání pod zářením ze synchrotronu odhalilo proč.

Během drsnější tepelné úpravy částice oxidů agregovaly do větších celků. Naopak mírnější podmínky dovolily zachovat jemnější strukturu. Na výkonech se to projevilo schopností nabíjet materiál 35 násobkem kapacity, což odpovídá době o něco delší než 100 sekund (teoreticky: 3600:35=103 sekund).

Závěr

Mnohdy v opodstatnění výzkumných záměrů figuruje argument o zkrácení doby nabíjení. K tomu mají dopomoci exotické materiály typu grafen a podobně. Zkoumat neprobádané obzory je jistě potřeba.

Nicméně, kdyby lidstvo opravdu chtělo nabíjet velmi rychle a elektrochemický zdroj měnit klidně až po 30 letech, nemuselo by vyvíjet něco zcela nového. Pověstného vrabce schovává v hrsti a s nadějemi hledí na holuba na střeše.

vlastní
Zpět na HybridPřidat komentář

Buducnost stacionarnych baterii bude v olovo-sodik kde je mozne dosiahnut volumetricke kapacity viac ako 3000 mAh/cm3 co ak porovnate z teoretickou kapacitou LTO: 613mAh/cm3 a grafit 837mAh/cm3 tak Vam z toho vyjde ze neexistuje lepsie riesenie pre buducnost energetiky ako NaPb baterie zvlast ak experimentalne olovene anody maju realne stabilne 5200mAh/cm3 a to hlavne z dovodu maximalizacie aktivnej hmoty viac ako 95% v anode. Takato hodnota pre Vasu predstavu umozni klasickym MWh kontajnerovym storage systemom navysit svoju kapacitu minimalne 3x nasobne pricom cena baterii vdaka sodiku a volnemu pristupu k recyklovanemu olovu v EU pojde pod 85€/kWh.

Co tak kombinácia 20kWh LTO a 40kWh lion v jednom aute.. Prídem k nabíjačke: LTO dám za 15 minút doplna..A do lion za 15 minút ďalších 25 kWh. Za 15 minút mam v aute 45kWh..co je dosť na 200km po diaľnici alebo 250-280 po okreskach.. Lto by pomohlo aj pri zabere motora keď ťahá motor násobky C.. Lto by odlahcilo v týchto fázach lion.

A nebo ještě lépe - LTO nabíjet CCS 100-150kW a "normální" LiOn strčit souběžně do něčeho s 20-60kW ať si taky cucne, ale pomaleji/bezpečně.
Před vlastním příjezdem k nabíječce by systém mohl vyhodnotit kolik mu zbylo kWh a začít přečerpávat z LTO do LiOn.

Trochu přitažené za vlase ale ... ;-)

---

Leaf 2012 koupen 2018/05; najeto: cca 7k km

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Takovy plug-in hybrid elektro-elektro :-)

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

ALE TODLE JE DOBRÁ ZPRÁVA !! "Šéf německé automobilky VW Audi ze skupiny Volkswagen Rupert Stadler byl vzat do vazby v souvislosti s obviněním z podvodu při prodeji dieselových vozů se zmanipulovaným měřením emisí"

novinky.cz/ekonomika/475313-nemci-zadrzeli-sefa-automobilky-audi.html

A JE ZA KATREEEEEEEEEEEEEEEEEM :))))))))
A TAM SI NA NĚM VYŘÁDĚJÍ, A ZA KATREM TAM HO PODRBEM :))ÚÚÚÚ

Ten váš Wilight express mizukaze je ale Twilight express... :D

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky.

Jak vkládat odkazy bez registrace. Stačí vložit mezeru www. link.com

BB Green rychlotrajekt
https://www.youtube.com/watch?v=_-XLuzjJ6jc#fauxfullscreen

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky.

Jak vkládat odkazy bez registrace. Stačí vložit mezeru www. link.com

Výborný článek. Ukazuje se, že že ani v aplikované vědě se neřídíme vždy jen racionálními pohnutkami.

---

hariprasad

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Také se přidávám. Dobrý článek. Díkes. Závěrem o objevování a vylepšování již objeveného mi autor připomněl starou dobrou knihu Jitro kouzelníků.

Obrázek uživatele Josef

LTO tedy stále zůstává technologií budoucnosti a ještě dlouho jí taky zůstane.

Počet cyklů je dnes relativně nepodstatný, už dnešní 60 kWh baterie s počtem cyklů 2000 znamená minimální nájezd kolem 600000 km do 80 % kapacity. To vám to auto stejně nenajede, protože se dřív rozpadne něco jiného.

Pro stacionární úložiště je zase podstatná cena = opět LTO nepoužitelné.

K čemu že to tedy je? Vyrobte článek pro studenou fúzi a pak se bude o čem bavit.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Dnes je používají třeba parciální trolejbusy, dojezd jen 10-15km ale hodně cyklů denně.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

...všade se řítí tisíce aut, semtamsemtam, nutno frčet do hypráče za nákupem hovadin, posílat tuny zboží sem a tam.
Trpí tím životní prostředí.
A kvanta blbečků řvou, jak vše vyřeší drón, elektromobil, robotické řízení a 3D tiskárna.
NE, nevyřeší nic - ono je totiž řešení jinde.
Ve snížení nesmyslné spotřeby a konzumu.
Jenže je velice nepopulární něco takového prohlásit...

Máte pravdu, ale tenhle článek je o něčem jiném.

---

hariprasad

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

hariprasad:
Ale je tady souvislost.
A mimochodem, řešení není ani v naivní důvěřivosti či opájení se fantasmagoriemi...

Obrázek uživatele Josef

Jenže to nedává smysl. Naše společnost je na spotřebě a konzumu založena. Je to její životní síla, žene ji to k rozvoji. Pokud tohle zastavíte, dojde ke stagnaci a nakonec nás převálcují jiní, protože stagnující společnost zákonitě umře.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Josef:
Ano, znám mnoho takových, co se ohánějí nutností nekonečné svobody pro nenažrance a psychopaty. Samozřejmě nesmí chybět ta typická soutěživost - třeba kdo sežere víc knedlíků.
A co ty?
Už se těšíš na nové robotické motocykly, kde nebudeš muset umět ani držet balanc a budeš jen hustohustě užívat adrenalin...?

Dovolil bych si odporovat. Náš problém je tom, že lidstvo už minimálně 200 let stagnuje duchovně, proto se taky tak vzmáhá konzum. Hledáme náhražky a berličky (jídlo, sex, peníze, zážitky, drogy) za něco, co jsme ztratili.

---

hariprasad

Obrázek uživatele Josef

Jenom někteří. Zpravidla na duchovní strádání lidstva upozorňují lidé, kterým nevyhovuje stávající stav, protože mu nerozumí a neumí se s ním vnitřně vypořádat a tak by chtěli změnit zbytek lidí ke svému pohledu. Lidstvo totiž nikdy žádné duchovní naplnění nemělo a nikdy ho nedosáhlo a nedosáhne. Je to z naší podstaty nemožné.

Lidi jsou furt stejní, to si jen zase další generace namyšleně myslí že zrovna ta jejich epocha je nečím výjmečná, ať uz průserama nebo úspěchama. Ti co si myslí že je všechno špatně se utíkaj buď k sektám nebo se snažej urvat co se dá.

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá - Leave the oil in the soil and the coal in the hole. - Sekám a vysávám na baterky.

Jak vkládat odkazy bez registrace. Stačí vložit mezeru www. link.com

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Já bych naopak řekl, že umělá inteligence s poměrně snadno zvětšovatelným výkonem i přez hranice lidských mozků bude přece jen historicky supervýjimečný zlom.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Petr:
Vzhledem k tvé naivitě a neznalosti budeš asi jeden z prvních, které ten "pokrok" supervýjimečného zlomu semele...

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

To těžko Anežko.
Já jsem venkovský rentiér, a pracovat ve skutečnosti ani nemusím, jen mě to baví.
Takže úder umělé inteligence likvidující během 10-20 let většinu kancelářských zaměstnání ve městech se mě dotkne nejmíň ze všech.

Obsah tohoto pole je soukromý a nebude veřejně zobrazen.
Standardní nastavení volby "Zasílání upozornění na email" můžete nastavit na stránce svého profilu.
Ochrana proti nevyžádaným příspěvkům
Absolováním testu nám pomáháte bojovat proti SPAMu. Děkujeme.

EVMapa.cz - mapa nabíjecích stanicProdej pneu 100% onlineNabíječky elektromobilů CircontrolKariéra EVC GroupAutonabíjení.cz - vše pro Váš elektromobilBUS2BUS