チタン酸リチウム電池はサイクル寿命が長いことで知られていますが、すべての LTO セルに適用される単一の寿命はありません。
厳選された市販の LTO セルは、数千回の充放電サイクルを完了できます。一部の高出力製品は、規定の電流、温度、寿命条件下で 20,000 サイクルを超えるテスト結果を公表しています。他の LTO セルでは、カソード、電解質、電極負荷、および意図された用途が異なるため、異なる結果が得られる場合があります。
物理的なセルの形式も重要です。 LTOパウチセルは軽量の筐体と熱接触のための広い表面を備えていますが、その耐用年数は依然としてセルの品質、圧縮、タブ接続、温度制御、マッチング、BMS設定に依存します。
信頼できる寿命推定値を得るには、次の 2 つの別々の質問に答える必要があります。
セルは同等の全サイクルを何回完了できますか?
カレンダーの経年劣化が制限要因になるまで、セルは何年使用し続けることができますか?
このガイドでは、産業機器、AGV、エネルギー貯蔵、電動モビリティ、カスタム バッテリー モジュールで使用される LTO パウチ セルに特に注目して、LTO バッテリーの寿命に関する主張を解釈する方法について説明します。
高品質の LTO バッテリーは、セルのモデルとテスト条件に応じて、数千から数万サイクルを実行できます。
公開されたサイクル番号を単独で評価してはなりません。次のように記載する必要があります。
充電率
吐出量
放電の深さ
電圧の上限と下限
試験温度
休憩時間
耐用年数が終了した容量
セルの圧縮またはフィクスチャの条件
結果がセル、モジュール、または完全なバッテリーパックに適用されるかどうか
耐用年数 (年) は、サイクル老化とカレンダー老化の両方によって異なります。
たとえば、10,000 回相当のフルサイクル定格のセルは、理論的には次のことをサポートできます。
1 日あたり 1 回のフルサイクルに相当する場合、約 27 年
1 日あたり 2 回のフルサイクルに相当する場合、約 13.7 年
1 日あたり 5 回のフルサイクルに相当する場合、約 5.5 年
これらの計算はサイクル消費量のみを示しています。暦上の寿命を保証するものではありません。保管温度、平均 SOC、パック設計、および自然な化学的経年劣化により、理論上のサイクル数に達する前にバッテリーが制限される可能性があります。
バッテリーの寿命は、サイクルや年数が交換可能であるかのように議論されることがよくあります。そうではありません。
サイクル寿命は、定義された寿命条件に達する前にバッテリーがどれだけの充電と放電活動を完了できるかを測定します。
寿命末期は、通常、バッテリーが元の容量の 70% または 80% を保持する時点として定義されます。正確なしきい値は、テストレポートまたは仕様書に記載する必要があります。
サイクルは必ずしも 1 つの物理的な充電イベントを意味するわけではありません。
50% SOC から 60% SOC に移行し、50% SOC に戻るバッテリーは、完全な 100% 放電深度サイクルではなく、浅いサイクルを完了しています。いくつかの浅いイベントを 1 つの同等の完全なサイクルに組み合わせることができます。
役立つ計算は次のとおりです。
等価フルサイクル = 総放電エネルギー ÷ 公称バッテリーエネルギー
この違いは、バッテリが何百もの小さな SOC 補正を実行する可能性がある、周波数調整、回生ブレーキ、産業用電力バッファリングなどのアプリケーションで重要になります。
カレンダー寿命は、バッテリーが比較的一定の SOC で保管または保持されている期間を含む、時間の経過に伴うバッテリーの劣化を表します。
カレンダーの老化は次の影響を受ける可能性があります。
保管温度
平均的な充電状態
上限電圧
セル設計
電解質配合
カソードの化学
製造時の水分管理
高温で過ごした時間
フロートまたはスタンバイ動作
サイクル数が非常に少ない LTO バッテリーでも、長年にわたって容量が低下し、抵抗が増加する可能性があります。
このため、20,000 サイクルの評価を 30 年、50 年、または 70 年の耐用年数に自動的に変換することはできません。
LTO電池は、従来のリチウムイオン電池の多くに使用されているグラファイトの代わりに、アノードにチタン酸リチウム酸化物を使用しています。
これにより、いくつかの重要な老化メカニズムが変化します。
チタン酸リチウムはスピネル結晶構造を持ち、リチウムイオンが材料に出入りしても体積の変化はほとんどありません。
この動作は一般に「ゼロ歪み」挿入として説明されますが、この用語はバッテリーセル全体ではなくアノード材料を指します。
構造の動きが減少すると、繰り返しサイクル中の粒子の亀裂や活性アノード材料の損失が制限されます。これは、LTO の強力なサイクル安定性に貢献します。
完全な LTO パウチセルの厚さを決して変えることができないという意味ではありません。カソード、電解質、セパレーター、その他の電池コンポーネントは依然として劣化しており、不適切な製造、保管、または動作条件下ではガスの発生が発生する可能性があります。
LTO アノードの動作電位はグラファイトの動作電位よりも高くなります。これにより、高電流または低温充電中に金属リチウムがアノードに析出する傾向が減少します。
この特性により、選択された LTO セルでの強力な充電受け入れがサポートされます。
ただし、許容される充電電流は依然としてモデル固有です。これは、温度、SOC、電極設計、内部抵抗、およびメーカーの指定制限によって異なります。
LTO はグラファイト陽極とまったく同じように動作するわけではありませんが、表面膜の形成や電解液の反応がまったくないというわけではありません。
LTO ベースのセルでは、引き続き次のような問題が発生する可能性があります。
表層形成
電解質の分解
ガス発生
カソードの劣化
バインダーの老化
集電体の腐食
接続抵抗の増加
リチウム在庫の損失
セル間の容量の不均衡
LTO の長寿命は、バッテリーの劣化を完全に排除するものではなく、特定の劣化メカニズムを軽減することによって実現されます。
LTO は、パウチ、角柱、円筒形の形式で入手できます。
ミセンの現在の製品の方向性にとって、より重要なのは、どのように製品を開発するかということです。 LTOパウチセルは 実用的なモジュール内で動作します。
LTO パウチセルは以下を提供します。
非アクティブなエンクロージャの重量を軽減
長方形の設置スペースを有効活用
接触冷却のための広い表面積
選択したモジュール構成のセルが少ない
高セル数の円筒形パックよりも小さな溶接箇所が少ない
柔軟なタブの位置とモジュールのレイアウト
カスタムバッテリーエンクロージャへの統合が容易
これらの利点によりモジュールの効率は向上しますが、化学サイクル寿命が自動的に長くなるわけではありません。
パウチセルは、機械的保護のためにモジュールに依存しています。
構造は、過剰なまたは不均一な圧力を加えることなく、制御されたサポートを提供する必要があります。鋭利なエッジ、サポートされていないセル表面、および制御されていないクランプは、ラミネートされたエンクロージャまたはシール領域を損傷する可能性があります。
実際のモジュールには次のものが必要となる場合があります。
平らな圧縮プレート
電気絶縁
緩衝材
制御された圧力
通常の厚さ公差のスペース
シールエッジ周囲の保護
タブのストレインリリーフ
耐振動実装
圧縮要件はセルのモデルによって異なります。検証せずに、1 つの圧力値を異なるパウチ セルにコピーしないでください。
LTO アノード材料の低歪み挙動は、パウチセルが膨張の影響を受けないわけではありません。
厚さは次の理由で変化する可能性があります。
ガス発生
高温保管
過充電
電解質反応
湿気による汚染
細胞の老化
カソードの動作
製造上のばらつき
長寿命プロジェクトの場合、受入検査、サンプルサイクル、モジュール検証中にセルの厚さをチェックする必要があります。
突然の厚さの増加は、通常の LTO の動作として扱うのではなく、調査する必要があります。
高い充放電電流により、タブの接続がすぐに弱くなる可能性があります。
モジュール設計者は以下を確認する必要があります。
プラスおよびマイナスのタブ材料
タブの幅と厚さ
接合方法
接合抵抗
許容曲げ方向
機械的サポート
バスバーの設計
温度上昇
パウチシール部との隙間
セルが元の容量のほとんどを保持している場合でも、接続抵抗によりバッテリーの電力が失われたり、局所的なホットスポットが発生したりすることがあります。
LTO はアノード材料を識別します。カソード、電解質、電極の設計もバッテリーの寿命に影響します。
同じ公称電圧と容量を持つ 2 つの LTO パウチ セルは、次のように異なる場合があります。
充電料金
放電率
エネルギー密度
内部抵抗
サイクル寿命
温度制限
カレンダーの老化
ガス発生挙動
常に正確なモデルの仕様を使用してください。
温度はサイクル老化とカレンダー老化の両方に影響します。
一般に、高温は化学反応、電解質の老化、ガスの発生を促進します。 25°C で良好に動作するセルでも、40°C または 55°C では異なる劣化速度を示す場合があります。
一部の LTO セルは低温で動作または充電を受け入れることができますが、許容電流と利用可能な容量が減少する可能性があります。
低温での動作限界は、室温での最大充電率の適用を許可するものとして解釈されるべきではありません。
一部のパワータイプの LTO セルは高い C レートをサポートしますが、エネルギータイプの製品は電流制限が低い場合があります。
20Ah セルの場合:
1C は 20A に相当します
2C は 40A に相当します
5C は 100A に相当します
高電流テストでは以下を評価する必要があります。
セル表面温度
タブ温度
ジョイント温度
充電時の電圧上昇
放電時の電圧降下
利用可能な容量
直流内部抵抗
セル間の温度差
セルレベルの電流定格は、モジュール全体の内部の熱蓄積を自動的に考慮するものではありません。
電圧の上限と下限は、使用可能なエネルギーと耐用年数に影響します。
指定された制限を超えて充電したり、1 つのセルが BMS 保護しきい値に達することを繰り返したりすると、劣化が加速する可能性があります。
減少した SOC ウィンドウ内で動作すると、一部のアプリケーションでは寿命が延びる可能性がありますが、正しい範囲は、選択したセル データとシステム要件から得られる必要があります。
BMS 保護限界は、通常の充電および放電の目標として使用しないでください。
サイクルを浅くするとストレスが軽減され、バッテリーが完了する動作イベントの数が増加します。
ただし、サイクル寿命の比較は、同じ放電深度と寿命の定義が使用される場合にのみ意味を持ちます。
20,000 回の浅いサイクルでテストされたセルは、20,000 回の完全な深さのサイクルでテストされた別のセルと同等であると表現されるべきではありません。
カレンダーの経年劣化は、SOC と保管温度によって変化する可能性があります。
上限電圧付近で継続的に保持されるバッテリーは、中程度の SOC 付近で動作するバッテリーとは異なる経年変化をする可能性があります。
したがって、スタンバイ、UPS、およびフロートアプリケーションでは、単にバッテリーを完全に充電し続けるのではなく、特定の電圧と SOC 戦略が必要です。
一貫性のないセルは、パックの残りの部分よりも先に電圧制限に達する可能性があります。
これにより、使用可能な容量が減少し、ほとんどのセルが正常な場合でも BMS が早期に中断される可能性があります。
LTO パウチセルのマッチングには次のものが含まれます。
容量のグレーディング
開放電圧
AC内部抵抗
直流内部抵抗
自己放電またはK値
厚さ
外観
シール品質
バッチトレーサビリティ
通常、適切に適合したパックはバランスをより簡単に維持し、耐用年数にわたってより多くの利用可能なエネルギーを提供します。
BMS は、選択した LTO セルに適した電圧しきい値を使用する必要があります。
LTO は低いセル電圧で動作するため、固定 LFP または NMC BMS は通常は適していません。
BMS は以下をサポートする必要があります。
正確な個々のセル電圧測定
過電圧と不足電圧の設定を修正する
充放電過電流保護
温度監視
バランスをとる
短絡保護
電流測定
SOC の推定
必要な通信プロトコル
LTO セルは動作電圧曲線が比較的平坦であるため、電圧だけでは十分に正確な SOC 情報が得られない可能性があります。クーロン計数と実際のセルに基づくモデルが必要になる場合があります。
サイクル寿命の主張を受け入れる前に、次のテスト情報を尋ねてください:
| テスト項目 | 確認内容 |
|---|---|
| セルモデル | 正確な製品と製品バージョン |
| 容量 | 定格および測定された初期容量 |
| 充電率 | テスト中に使用した電流 |
| 吐出量 | 試験中に使用される連続電流 |
| 電圧範囲 | 充電の上限と放電の下限 |
| 放電の深さ | 完全または部分的な SOC ウィンドウ |
| 温度 | 周囲温度またはセル温度 |
| 休憩時間 | 充電と放電の間の時間 |
| 機械的状態 | 自立型、クランプまたは圧縮型 |
| 寿命のしきい値 | 70%、80%、またはその他の残容量 |
| サンプル量 | テストに含まれる細胞の数 |
| 試験結果 | 平均、最小、または最高のパフォーマンスのサンプル |
これらの条件がなければサイクル数が大きいと、工学的価値は限られます。
基本的なサイクル推定値は次のとおりです。
サイクル寿命 (年) = 定格等価フル サイクル ÷ 1 日あたりの等価フル サイクル ÷ 365
例:
| 定格サイクル寿命 | 1 日あたりのフルサイクルに相当する | 理論上のサイクル年数 |
|---|---|---|
| 10,000 | 1 | 27.4 |
| 10,000 | 4 | 6.8 |
| 20,000 | 2 | 27.4 |
| 20,000 | 8 | 6.8 |
これらは数学的なサイクル推定値であり、保証期間ではありません。
実際の耐用年数は、次の要因によって制限される場合があります。
カレンダーの老化
高温暴露
インバーターまたは充電器の寿命
BMSエレクトロニクス
コンタクタとコネクタ
タブとバスバーの腐食
機械的摩耗
細胞の不均衡
申請要件の変更
現実的なプロジェクト モデルの場合は、予想されるサイクル寿命、カレンダー寿命、システム コンポーネント寿命のうち短い方を使用します。
| 選択要素 | LTO パウチセル | LFP パウチセル | NMC パウチセル |
|---|---|---|---|
| 主な利点 | 高いサイクルスループットと電荷受け入れ可能性 | コスト、サイクル寿命、安全性の優れたバランス | 高いエネルギー密度と軽量化 |
| 一般的なプロジェクトの優先順位 | 頻繁なサイクリング、急速充電、高出力 | 日常の保管と産業上の信頼性 | コンパクトで重量に敏感なモバイル システム |
| エネルギー密度 | 全体的に最低 | 中くらい | 一般的に最高 |
| 低温充電電位 | 厳選されたモデルに強い | 通常は制限されています | 通常は制限されています |
| 初期費用 | 通常最高 | 通常最低 | 中～高 |
| サイクル寿命の可能性 | 選択された細胞では非常に高い | 一般用途に強い | モデルおよびオペレーティングウィンドウに依存 |
| キーパックの問題 | 電圧設定、ガス制御、電流処理 | 圧縮、低温充電、SOC推定 | 熱管理、膨張および電圧制御 |
これらは一般的な傾向であり、仕様を保証するものではありません。
太陽エネルギーは1日あたり約1サイクルで変化するため、 LFP パウチセルは 、より優れた経済的バランスを提供する可能性があります。
重量と航続距離が重要となる電動モビリティ、UAV、コンパクトモジュールの場合、 NMC パウチセルの 方が適している可能性があります。
LTO は、サイクル スループット、急速充電、または機器の稼働時間が最小の初期コストや最大のエネルギー密度よりも価値がある場合に、より魅力的になります。
ポーチ、角柱、円筒形は物理的な筐体を表します。サイクル寿命はそれ自体で決まるわけではありません。
| フォーマット | 主な利点 | 主な設計上の問題 |
|---|---|---|
| ポーチ | 効率的なパッケージング、低い非アクティブ重量、広い冷却面 | 圧縮、シール、厚さ変更、タブの保護 |
| プリズム状 | 剛性の高い長方形のハウジングと簡単な位置合わせ | 端子応力、取り付けおよび筐体重量 |
| 円筒形 | 規格化された形状と強固な個別筐体 | セル数、溶接点、電流共有の増加 |
適切に設計されたパウチモジュールは、設計が不十分な円筒形パックよりも長持ちします。また、その逆も同様です。
セルの品質、動作条件、パックの統合は、エンクロージャの形状だけよりも重要です。
データシートのレビューの後にはサンプルテストを行う必要があります。
有用な検証プログラムには次のものが含まれます。
外観・シール検査
セルの寸法と厚さ
重量比較
初期OCV
AC内部抵抗
能力テスト
直流内部抵抗
自己放電またはK値
充放電温度
ピーク負荷時の電圧降下
ショートサイクルスクリーニング
選択したサンプルの延長サイクル試験
必要に応じて低温試験を実施
圧縮およびモジュール固定具のテスト
タブジョイント抵抗
バッチの一貫性とトレーサビリティ
サンプル テストでは、意図した電流、温度、SOC ウィンドウ、および機械的構造を可能な限り正確に再現する必要があります。
低レートの室温容量テストだけでは、高出力の産業用アプリケーションを検証できません。
化学寿命が長い場合でも、保守的なシステム設計からメリットが得られます。
耐用年数を改善するには:
正確なセルのデータシートに従ってください
LTO 対応の充電器と BMS を使用する
通常の動作を保護しきい値から遠ざける
不必要な過充電や過放電を避ける
現実的な場合は現在のマージンを適用する
セル、タブ、接続温度を監視
モジュールの組み立て前にセルを一致させる
制御されたパウチセルサポートを使用する
シール部分とタブを保護します
すべての高電流ジョイントを検証する
電圧、温度、SOC、抵抗の傾向を記録する
異常な厚さまたは自己放電を早期に調査します
サプライヤーが推奨する SOC と温度に従ってセルを保管します。
完成したモジュールを実際の負荷プロファイルでテストします
充電器は通常の CC/CV プロセスを制御する必要があります。 BMS は、充電が終わるたびにバッテリーを繰り返し切断するのではなく、保護システムとして機能し続ける必要があります。
充電の詳細については、こちらをお読みください LTO バッテリーの充電方法.
機会充電により、車両は短い運転休止中に充電できます。
長寿命の LTO パウチ バッテリーにより、バッテリーの交換、予備バッテリーの在庫、および機器のダウンタイムが削減されます。
クレーン、昇降システム、産業用駆動装置は、繰り返しエネルギーをバッテリーに戻すことがあります。
選択された LTO セルは、最小バッテリー重量よりも高い回生電流と頻繁な電力イベントの方が重要な場合に役立ちます。
電力平滑化、周波数調整、産業用電力バッファリングには、1 日に多くの部分サイクルが必要になる場合があります。
LTO は、同等のフルサイクル、予想されるエネルギースループット、および総耐用期間コストを使用して LFP と比較する必要があります。
見る ハイサイクルエネルギー貯蔵における LTO と LFP.
一部の LTO セルは 0°C 未満で動作し、充電を受け入れることができます。
これは、冷蔵倉庫物流、屋外機器、遠隔地にある産業施設に利益をもたらす可能性がありますが、正確なモデルについては電流と容量を確認する必要があります。
バッテリー交換が難しい場合やダウンタイムが高くつく場合には、LTO を検討してください。
カレンダーの経年変化、スタンバイ電圧、フロート状態も引き続き評価する必要があります。サイクル定格が高いだけでは、長いスタンバイ寿命は保証されません。
一部の市販 LTO セルは、定義されたテスト条件下で 20,000 サイクル以上の結果を公表しています。これは、すべての LTO セルが同じ定格を持つことを意味するものではありません。正確なモデル、充電率、放電率、温度、電圧ウィンドウ、および寿命のしきい値を確認してください。
答えは、1 日あたりの同等の完全なサイクルとカレンダーの経年変化によって決まります。 10,000 サイクルのセルを 1 日あたり 4 回のフルサイクルで使用すると、理論上のサイクル寿命は約 6.8 年になります。実際の耐用年数は、温度、SOC、パックの設計、および動作条件によって短くなったり長くなったりする場合があります。
自動的ではありません。エンクロージャの形式は機械設計と熱設計に影響しますが、セルの化学的性質、製造品質、および動作条件が寿命を決定します。パウチセルには、適切な圧縮、密閉保護、およびタブのサポートが必要です。
一部の LTO モデルは低温充電をサポートしています。許容温度および許容電流は製品によって異なります。データシートを確認せずに室温充電率を適用しないでください。
いいえ。一部のパワータイプのセルは高い充電レートをサポートしますが、他の LTO セルは制限が低くなります。現在の機能は正確なセルで確認され、完成したモジュールで検証される必要があります。
いいえ。通常の動作戦略として 0V 放電を使用しないでください。メーカーが推奨する放電カットオフおよび BMS しきい値に従ってください。極端な過放電は、完全な LTO セルまたはパックに損傷を与える可能性があります。
充電式バッテリーを耐火性と表現する必要はありません。 LTO は一般に熱安定性が高く、リチウムめっきの傾向が軽減されていますが、完成したセルには依然として電解質およびその他の活物質が含まれています。バッテリーには、BMS、ヒューズ、絶縁、機械的保護、および適切なテストが必要です。
いつもではありません。バランス方法は、シリーズ数、セルのマッチング、充電時間、容量、および許容される不均衡によって異なります。一部のパックではパッシブ バランシングで十分な場合もありますが、大規模なシステムや高スループットのシステムではアクティブ バランシングの恩恵を受ける場合があります。
正確なセルサイクルデータを使用し、アプリケーションプロファイルを同等のフルサイクルに変換し、カレンダーの経年劣化を評価し、現実的な電流、温度、機械的条件下で完成したモジュールをテストします。
Misen は、AGV、産業機器、回生システム、電動モビリティ、エネルギー貯蔵、カスタム バッテリー モジュール用の LTO パウチ セルを供給および評価しています。
サポートには次のものが含まれます。
LTOパウチセルの選択
データシートの比較
能力テスト
OCVおよび抵抗測定
K値と自己放電スクリーニング
セルマッチング
圧縮とモジュール設計
BMS評価
充電システムのレビュー
サンプルとバッチの検証
予想される耐用年数を評価するには、以下を提供してください。
応用
必要な電圧
必要な容量またはエネルギー
連続電流
ピーク電流と持続時間
最大充電電流
充電時間
1 日あたりのサイクルまたは操作イベント
予想される放電の深さ
バッテリーの寸法
使用温度範囲
必要寿命
通信プロトコル
試作・生産数量
これらの要件に基づいて、Misen は適切な LTO、LFP、および NMC パウチセルのオプションを比較し、予想されるサイクルスループット、バッテリー構成、機械設計、およびテスト計画について話し合うことができます。
より広範な選択ガイドについては、以下をお読みください。 カスタムバッテリーパック用のパウチセルを選択する方法.
