Экспериментальное исследование основных параметров литий-титанатных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение благодаря высокой плотности заряда, низкой скорости саморазряда, длительному сроку службы и отсутствию эффекта памяти в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов. Принцип работы литий-ионных аккумуляторов заключается в движении потока ионов Li+ между двумя электродами с разными потенциалами. В большинстве случаев анодом выступает графит, а катодом — оксид металла, такой как оксид лития-кобальта или фосфат лития-железа. Данные компоненты разделены мембраной, пропитанной жидким электролитом, обеспечивающей перемещение ионов в процессе разрядки-зарядки аккумулятора. При этом литий-ионные аккумуляторы не лишены недостатков: более высокая стоимость, взрывоопасность, чувствительность к температурным режимам, необходимость использования защитных устройств. Частично решить данные проблемы позволяет использование альтернативных материалов на основе титана для изготовления анода, таких как: TiO 2 , LiTi 2 O 4 , Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 [3].

Литий-титанат используется для производства аккумуляторов напряжением 2,4 В или 1,9 В. Его также можно использовать в качестве катода для аккумуляторов с напряжением до 1,5 В, при этом анодом будет выступать металлический литий или сплавы на основе лития. При этом аккумуляторы на основе литий-титаната обладают более высокой безопасностью, стабильностью, а также длительным сроком службы.

Основные области применения данных источников питания — транспорт (электромобили, пассажирский транспорт, железнодорожный транспорт), энергетическая промышленность (ветроэнергетика, солнечная энергетика, системы резервного обеспечения), тяжелая промышленность [2].

Результаты исследования

Рассмотрим основные параметры литий-титанатного аккумулятора (АКБ). В качестве экспериментальной ячейки был выбран аккумулятор типоразмера Toshiba SCIB емкостью 20 А*ч (рис. 1, 2). Технические характеристики данного аккумулятора представлены в таблице 1.

Рис. 1. Массогабаритные характеристики аккумулятора

Рис. 2. Измерение внутреннего сопротивления

Таблица 1

Технические характеристики исследуемого АКБ

Номинальная емкость	20 А*ч
Размеры (В*Ш*Т)	106*115*22 мм
Вес	515±15 г
Удельная энергоемкость	89 Вт*ч/кг
Объемная плотность энергии	176 Вт*ч/л
Диапазон рабочего напряжения	1,5-2,7 В
Внутреннее сопротивление	0,5 мОм (AC 1kHz)
Ток заряда/разряда	200А в течение 10 с (100 А непрерывно)
Температурный режим работы	-30 до 55 оС

Для измерения внутреннего сопротивления аккумулятора применялся микроомметр с режимом измерения напряжения марки YAOREA YR1035+ (табл. 2).

Технические характеристики YAOREA YR1035+

Таблица 2

Диапазон измерения сопротивления	20 мОм / 200 мОм / 2 Ом / 20 Ом / 200 Ом
Разрешение измерения сопротивления	0,01 мОм (20 мОм) 0,1 мОм (200 мОм) 0,001 Ом (2 Ом) 0,01 Ом (20 Ом) 0,1 Ом (200 Ом)
Точность измерения сопротивления	± (0,7 % + 7) (20 мОм) ± (0,5 % + 7) (200 мОм) ± (0,5 % + 7) (2 Ом) ± (0,5 % + 7) (20 Ом) ± (0,6 % + 7) (200 Ом)
Диапазон измерения напряжения	1 В / 10 В / 99 В
Разрешение измерения напряжения	0,00001 В (1 В) 0,0001 В (10 В) 0,001 В (99 В)
Точность измерения напряжения	± (0,15 % + 0,015 %) (1 В) ± (0,15 % + 0,010 %) (10 В) ± (0,15 % + 0,015 %) (99 В)

Известны три метода измерения внутреннего сопротивления: на постоянном токе (не учитывает наличие внутренней емкости), на переменном токе различной частоты (не позволяет разделить импеданс на активную и реактивную составляющие) и метод электрохимической спектроскопии (лишенный перечисленных недостатков, однако требующий дорогостоящего оборудования, больших временных затрат и квалифицированных специалистов) [1].

Метод измерения на переменном токе заключается в определении среднеквадратичного значения переменного напряжения U_a при приложении к аккумулятору переменного тока I_a со среднеквадратичным значением и частотой (1,0 ± 0,1) кГц в течение 1-5 с. Внутреннее сопротивление R_ac , Ом вычисляется по формуле:

Rac = —,                             (1)

ac      J ,                                                  \ /

Переменный ток подбирают таким образом, чтобы пиковое напряжение было менее 20мВ1.

В общем виде схема замещения для определения внутреннего сопротивления представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема замещения источника питания для определения внутреннего сопротивления

Прибор YAOREA YR1035+ позволяет производить измерения внутреннего сопротивления источника питания на переменном токе при частоте 1кГц.

Так, при первичной проверке внутреннего сопротивления тестируемой ячейки ее внутреннее сопротивление составило 0,46 мОм при напряжении 2,27 В (рис. 2), что соответствует паспортным данным. Для измерения емкости аккумулятора было использовано двухканальное зарядное устройство (ЗУ) iCharger 308Duo (рис. 4).

Отличительной особенностью данного ЗУ является возможность заряжать и разряжать аккумулятор как в поканальном режиме, так и в комбинированном. При этом ток заряда-разряда может достигать до 30А на канал, а в комбинированном режиме до 50А. Также данное устройство оснащается последовательным интерфейсом передачи данных RS232, что значительно облегчает последующую обработку экспериментальных данных. Данные снимались с частотой 1 раз в 15 с.

Для определения емкости испытуемого аккумулятора использовался режим разряда, общее время составило около 40 мин при токе разряда, равном 30А. Входное напряжение при этом варьировалось от 2,58 В до 1,5 В. Фактическая емкость данного аккумулятора составила 19,67 А*ч при заявленной производителем емкости 20 А⋅ч (рис. 5, 6).

Рис. 4. Внешний вид ЗУ iCharger 308Duo

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА.

Рис. 5. График разряда фиксированным током 30 А

Рис. 6. Зависимость емкостной характеристики аккумулятора от времени разряда

Заключение

К достоинствам литий-титанатных аккумуляторов можно отнести:

– Безопасность при эксплуатации. Так, при эксплуатации литий-ионных батарей на поверхности анода зачастую возникают дендриты (отростки). Эти структуры врастают, как корни, в электролит и пробивают барьер, разделяющий анод и катод, вызывая короткое замыкание, которое может привести к возгоранию батареи. Процесс образования дендритов достаточно прост: ионы лития, перемещающиеся от катода к аноду при заряде батареи, собираются в кучу, образуя металлическую частицу, которая постепенно увеличивается в размерах. Электро-кинетический потенциал на границе металла и электролита привлекает все новые ионы лития, которые садятся на растущий ком. Отростки частично разрушаются во время разряда батареи, когда ионы лития перемещаются от анода к катоду, однако это приводит к образованию выбоин на поверхности анода, что осложняет дальнейший заряд аккумулятора.

Этого недостатка лишены аккумуляторы с анодом из литий-титаната, поскольку его равновесный потенциал выше, чем восстановительный потенциал электролита, он не образует на литиевом аноде тонкой пленки с высоким сопротивлением, что позволяет избежать короткого замыкания.

– Высокая скорость зарядки благодаря большим значениям токов заряда.

– Длительный срок эксплуатации без существенных изменений характеристик АКБ, так как циклы заряда-разряда практически не влияют на изменение структуры материала.

– Эксплуатация в широком диапазоне температур в отличие от литий-ионных аккумуляторов. Литий-титанатная шпинель обладает рядом преимуществ: превосходной структурной стабильностью в ходе циклирования, способностью сохранять высокий рабочий потенциал в процессе интеркаляции/деинтеркаляции ионов лития [4].

Выполнена экспериментальная оценка характеристик литий-титанатного аккумулятора относительно заводских параметров, по результатам которой можно сделать вывод о работоспособном состоянии исследуемого объекта.

Таким образом, применение литий-титанатных аккумуляторов особенно перспективно в области электротранспорта и энергетики.