Liitiumtitaanakud

Liitiumioonakude tüüp on liitiumtitanaatakud, mis kasutavad liitiumtitanaati, mille keemiline valem on Li4Ti5O12, elektroodina, mis on ühendatud positiivse toiteallikaga (anoodiga). Selliste seadmete väljatöötamine algas juba kaugetel 80ndatel.

Mis on liitiumtitanaat aku

Tänapäeval on liitiumtitanaatpatareid üsna haruldane elektripatareide tüüp, mistõttu vähesed inimesed on neist kuulnud. Massjaotus on aga järk-järgult hoogu kogumas ja selliseid tooteid kasutatakse laialdaselt paljudes tööstusharudes.

Elektrienergia salvestusseadme peamine eesmärk on kasutamine kaasaegsetes kodumasinates, elektriautodes, energiasüsteemides ja kaasaegsetes vidinates.

Kuidas LTO akusid toodetakse

Paljud tootjad (Seiko, YABO, Toshiba, Altair Nanotechnologies) hakkavad järk-järgult rakendama liitium-titaanoksiidi tootmist, mis põhineb kaasaegsel LTO (titaanoksiidi) tehnoloogial. Selle tehnoloogia kallal töötades on tootjad suutnud saavutada üsna arenenud anoodi nanokristallilise struktuuri, mis on tegelikult saanud toodete peamiseks eeliseks.

Erinevalt poorsest süsinikust, mida kasutatakse teist tüüpi liitiumakude valmistamiseks, võimaldab nanokristalliline struktuur muuta suurema anoodipinna „kasulikuks“, tagades pinna stabiilsuse. Näiteks LTO-tehnoloogia võimaldab saavutada efektiivse anoodipinna umbes 100 m²/g, samas kui süsinikanoodide efektiivne anoodipind on umbes 3 m²/g.

Suure anoodi pindala tõttu kandub laeng palju kiiremini üle ja lubatud voolude karakteristikud on kõrgemad. Kõik see tagab seadme töö kestuse, stabiilsuse ja tööohutuse.

Liitiumtitanaatpatarei tööpõhimõte ja struktuur

Konstruktsiooni väliskest on plastikust, komposiitmaterjalist, harvemini värvilisest metallist. Paljudel mudelitel on metallklemmid, mille kaudu sisemised vardad puutuvad kokku positiivse ja negatiivse pinge ning energiatarbijaga. Väliselt meenutab seade prismat, silindrit. Positiivne kontakt asub aku ülaosas ja negatiivne allosas.

Aku töötamise ajal toimub selles teatud reaktsioon. Voolu akumuleeritakse ja eraldatakse samaaegselt ning akumuleerimine ja toide on palju suuremad kui teiste tootmistehnoloogiate abil loodud seadmetel. Selliseid seadmeid saab täis laadida vaid 6–10 minutiga. Aku töötamise ajal ei kuumene, seega on ülekuumenemine täielikult välistatud. Põhiline tööpõhimõte erineb vähe liitiumioonakudest.

Negatiivne elektrood on valmistatud kihilise grafiidi kujul. Selles toimuvad juhuslikud protsessid, elektriga laetud aatomid liiguvad mööda maatriksit, säilitades pinge. Tühjenemisel interakteeruvad liitiumioonid hapnikuga, läbivad katoodi ja suunatakse väljapoole. Laadimisel kaotavad liitiumioonid oma algpinge ja settivad anoodi pinnale kuni järgmise laadimiseni. Laadimisel kordub protsess, kuid vastupidises järjekorras. Töötamise ajal võivad korpuse sisse koguneda gaasid, mille aurud eralduvad spetsiaalsete aukude või väljalaskeavade kaudu.

Liitiumtitanaatpatareide tehnilised omadused

Välismaised ja Venemaa tootjad püüavad järgida ühte standardit, mis määratleb järgmised omadused:

• 30–110 W/kg – energia salvestamine;
• maksimaalse koormuse korral toodab seade erivõimsust 3000–5100 W/kg;
• laengutihedus mitte üle 177 W*h/l;
• nimipinge – 1,9–2,4 V, maksimaalne tühjenduspinge – 1,5–1,7 V;
• "laadimise-tühjendamise" tsükliline efektiivsus madalate voolude korral kõigub 95% piires, suuremate voolude korral väheneb see 85%-ni;
• 100 000 puhul säilib aku mahutavusest 90%, 20 000 puhul – 80%, mõned tootjad on suutnud viimast arvu tõsta 40 000 tühjendus-laadimistsüklini.

LTO baasil toodetud akud on võimelised töötama nii tugeva pakase (alates –40 °C) kui ka äärmise kuumuse (kuni +55 °C) korral. Aku isetühjenemine kuus on 2–5%. Mõned tootjad määravad garantiiajaks üle 10 või isegi 20 aasta, olenevalt mudelist.

Liitiumtitaanaku: plussid ja miinused

Eelised hõlmavad järgmist:

• madal sisemine takistus;
• väga kiire laadimine;
• katkematu ja pikk tööaeg;
• tühjendus- ja laadimisvoolude kõrged omadused;
• kõrge jõudlus rasketes ilmastikutingimustes;
• stabiilsus;
• ohutus.

Paljud nimetavad selliseid tooteid "rohelisteks" energiaallikateks, kuna seadmete tööd võib pidada keskkonnasõbralikuks. Aku eluiga pikeneb märkimisväärselt tänu liitiumtitanaadi kasutamisele anoodi valmistamisel. Seade toodab üle 20 000 laadimis-tühjendustsükli. Puuduseks on aga see, et selliste akude pinge langeb sõltuvalt nende mahutavusest. Tööpinge on vähenenud 2,4 V-ni, mille tõttu erienergia indikaator väheneb. Kriitiliste töötingimuste osas on need akud aga oma analoogide seas kõige võimsamad, kuna suudavad tagada maksimaalse energiavoo.

LTO akude suurim puudus on nende aeglane kasutuselevõtt. Siiski hakkavad enamik tootjaid selliste seadmete loomisel järk-järgult kasutusele võtma suhteliselt uut tehnoloogiat elektrienergia allikate tootmiseks.

Kus kasutatakse LTO akusid

LTO-akude ilmne eelis teiste toiteallikate ees võimaldab seda tüüpi akusid laialdaselt kasutada elektriautodes, valgusfoorides, elektrijaamades, jahtides, laadimisjaamades, finantsasutustes, haiglates, varutoitesüsteemides, sidejaamades, telekommunikatsioonikeskustes, iseseisvates ilmajaamades, ühistranspordis.

Tänavavalgustuses, kus toiteallika peamine laadimine toimub päikesepaneelide abil, mis akumuleerivad päikeseenergiat. Sarnast disaini võib näha ilmaradarites, katkematu toiteallikates, koduseks kasutamiseks ja kahveltõstukites.

Järk-järgult võetakse seda tüüpi akusid kasutusele ka teistes tööstusharudes. Neid võib näha mobiilsetes meditsiiniseadmetes, käekellades, videokaamerates, digikaamerates ning isegi mobiiltelefonides ja sülearvutites.

Kasutusreeglid ja utiliseerimine

Seadme primaarlaeng määratakse katoodi ja anoodi keemilise reaktsiooni abil. Edasine laadimine on võimalik välise seadme ühendamise teel. LTO akusid laetakse ainult pideva voolutugevuse korral, püsiv pinge on kuni täieliku laadimiseni. Selliseid seadmeid peetakse hooldusvabaks. Kui aku on kahjustatud või ei tööta, ei saa seda parandada. Seadme kaane avamine hävitab koheselt akuplaadid.

Laengut tuleb perioodiliselt spetsiaalsete seadmetega kontrollida. Spetsialistid on kohustatud kontrollima korpuse ohutust, klemme ja vajadusel puhastama oksüdatsioonist ja mustusest. Kontaktide lühistamine on vastuvõetamatu.

Patareisid peetakse 2. klassi ohtlikeks jäätmeteks. Sellised patareid tuleb utiliseerida vastavalt erieeskirjadele. Seetõttu soovitavad tootjad liitiumtitanaatpatareide utiliseerimisel need anda spetsiaalsetesse tehastesse ja ettevõtetesse, mis saavad neid nõuetekohaselt ringlusse võtta.

Sellised energiasalvestusseadmed on olnud läbimurdeks tänapäevases akude tootmises. Neid võib õigusega nimetada täiuslikeks, tõhusateks ja ohututeks. Nende peamine puudus on aga kõrge hind ja turu puudujääk.