通常、チタン酸リチウム電池は、従来のリチウムイオン電池が苦戦し始めたときにプロジェクトの議論に入ります。
無人搬送車は、数時間停止するのではなく、短い休憩中に充電する必要がある場合があります。産業用機械は、毎日数回の充電と放電サイクルを完了することがあります。屋外に設置されたバッテリーは、氷点下での充電に耐える必要がある場合があります。このような状況では、可能な限り小さなスペースに最大量のエネルギーを蓄えることよりも、サイクル寿命、充電速度、低温性能の方が重要になる可能性があります。
そこでLTOバッテリーが役に立ちます。
LTO は、すべてのバッテリー パックにとって最適な化学的性質を持っているわけではありません。エネルギー密度が低く、セル電圧が低く、初期コストが高いため、多くの主流製品には適していません。しかし、適切な用途に使用すると、従来のグラファイトアノードリチウムイオン電池では達成が困難な、高出力、長寿命、幅広い温度での動作の組み合わせを提供できます。
このガイドでは、LTO バッテリーがどのように機能するか、LTO バッテリーが実際の利点を提供する場所、エンジニアが考慮する必要がある制限、パウチ型、角型、円筒型 LTO セルの選択方法について説明します。
LTOはチタン酸リチウムの略で、酸化チタンリチウムまたはチタン酸リチウムとも呼ばれます。その化学式は一般的に Li₄Ti₅O₁₂ と書かれます。
LTO バッテリーは依然として充電可能なリチウムイオンバッテリーの一種です。主な違いは負極にあります。
従来のリチウムイオン電池のほとんどは、負極材料としてグラファイトを使用しています。 LTO セルはグラファイトをチタン酸リチウムに置き換えます。正極には、リチウムマンガン酸化物や選択された NMC ベースの化学物質など、さまざまな材料を使用できるため、すべての LTO バッテリーがまったく同じ電圧、エネルギー密度、出力能力を持つわけではありません。
市販の LTO セルの公称電圧は通常、約 2.3 V ～ 2.4 V です。正確な充電および放電の制限は、常に個々のセルのデータシートから取得する必要があります。
チタン酸リチウムは安定したスピネル結晶構造を持っています。充電および放電中、リチウムイオンは格子体積にほとんど変化を与えずにこの構造に出入りします。
この動作は、多くの場合、「ゼロ歪み」挿入と呼ばれます。完成したバッテリーセルの厚さが変化したり、ガスが発生したりすることがないという意味ではありません。これは、LTO アノード材料がサイクリング中に従来のグラファイト アノードよりもはるかに少ない構造移動を受けることを意味します。
機械的ストレスが軽減されると、亀裂の形成や活物質の損失が遅くなります。これが、適切に設計された LTO セルが非常に長いサイクル寿命を達成できる理由の 1 つです。
また、LTO アノードの動作電位により、急速充電または低温充電中に金属リチウムが負極に析出する傾向が軽減されます。これにより、充電受け入れが向上し、強力な安全プロファイルに貢献します。
実際の性能は、カソード、電解質、セパレーター、電極負荷、製造品質、動作条件を含む完全なセル設計に依存します。
サイクル寿命は、チタン酸リチウム電池の最もよく知られた利点の 1 つです。
選択された LTO セルは、指定された寿命末期容量に達するまでに、数千回、場合によっては数万回の充放電サイクルを完了できます。このため、1 日に数回サイクルする機器にとって、この化学反応は魅力的になります。
ただし、テスト条件なしでサイクル寿命を見積もるべきではありません。重要な変数には次のものがあります。
放電の深さ
充放電速度
セル温度
電圧の上限と下限
休憩時間
容量保持要件
セルの設計と製造
部分的な放電深度でテストされた小型高出力 LTO セルは、全放電深度で動作する大型エネルギー型セルとは大きく異なる結果が得られる可能性があります。
調達プロジェクトの場合は、データシートに示されている最大値のみを比較するのではなく、サイクル テスト条件を比較してください。
LTO セルは、強力な電荷受け入れと低い内部抵抗を備えています。厳選された高出力モデルは、急速充電、高放電電流、頻繁な回生充電をサポートしています。
これらの特性は、ダウンタイムが高くつくアプリケーションで役立ちます。 AGV、電気バス、産業用ロボットは、数時間充電器に接続したままにするのではなく、短い動作停止中に充電される場合があります。
充電速度と放電速度はモデル固有のままです。チタン酸リチウムを使用しているという理由だけで、すべての LTO セルが 10C 充電または 20C 放電をサポートしていると考えるのは正しくありません。
セルを選択する前に、次のことを確認してください。
標準充電電流
最大連続充電電流
最大連続放電電流
パルス電流と許容持続時間
負荷時の温度上昇
必要な電流での電圧降下
低温時の充電制限
選択された LTO セルは、標準的なグラファイトアノード リチウムイオン セルが電流の低減または外部加熱を必要とする温度で動作し、充電を受け入れることができます。
これは次の場合に役立ちます。
屋外用産業機器
冷蔵倉庫物流
高高度システム
鉄道および輸送機器
遠隔監視システム
北方気候で使用される機器
低温性能は、正確なセルに対して検証する必要があります。メーカーは、ある製品シリーズには -30°C での動作を指定し、別の製品シリーズには異なる制限を設定する場合があります。
温度が低下すると、容量、電圧、利用可能な電力も低下します。 -30°C で動作可能な LTO セルは、25°C で動作する場合と同じ容量または電流を供給できるとは限りません。
LTO アノードはリチウムめっきが起こりにくく、グラファイト アノードと同じ従来の固体電解質の界面挙動に依存しません。これにより、高速かつ低温での動作時の内部劣化のリスクを軽減できます。
その結果、適切に設計された LTO セルは一般に、多くの高エネルギー黒鉛陽極リチウムイオン セルよりも強い熱安定性を備え、火災の危険性が低くなります。
これをゼロリスクと表現するべきではありません。 LTO バッテリーには、保存された電気エネルギー、可燃性の電解質、その他の活物質がまだ含まれています。内部短絡、不適切な充電、絶縁の損傷、不適切なバスバー設計、不適切なパック構造などにより、依然として危険な状態が発生する可能性があります。
安全なバッテリー システムには、検証済みのセル、正しく構成された BMS、適切なヒューズ、機械的保護、熱設計、完成したパックのテストが必要です。
LTO の主な欠点はエネルギー密度です。
LTO セルは通常、NMC セルや LFP セルよりもキログラムあたりおよびリットルあたりに蓄えるエネルギーが少なくなります。同じキロワット時容量向けに設計されたバッテリー パックは、通常、より大きく、より重くなります。
これにより、LTO の魅力が低下します。
長距離乗用電気自動車
軽量でポータブルな製品
あらゆるグラムが重要なドローンと航空システム
小型家電製品
非常に小さな筐体に最大のランタイムを収める必要があるプロジェクト
セル形式はパッケージング上のペナルティの一部を軽減できますが、化学的性質による基本的なエネルギー密度の制限を取り除くことはできません。
ほとんどの LTO セルは公称電圧約 2.3 V ～ 2.4 V で動作しますが、LFP の場合は約 3.2 V、NMC の場合は約 3.6 V ～ 3.7 V です。
したがって、同じバッテリパック電圧に達するには、より多くの LTO セルが直列に必要になります。
たとえば、公称 48V システムでは、選択したセル電圧と機器が受け入れる電圧範囲に応じて、約 20 個の LTO セルを直列に接続する必要がある場合があります。最終的な構成は、市販のパック電圧だけでなく、セルの最大電圧、公称電圧、最小電圧から計算する必要があります。
シリーズ数が多いということは、次のことも意味します。
より多くのバスバー接続
より多くの電圧検出チャンネル
LTO専用に設計されたBMS
セルバランスへのさらなる配慮
より多くの潜在的な機械的接続ポイント
LTO セルは通常、主流の LFP セルよりもキロワット時あたりの購入コストが高くなります。
経済性は、アプリケーションが以下を活用する場合に最も合理的です。
1日に数サイクル
迅速な機会充電
交換頻度の低減
低温動作
高電力入出力
機器のダウンタイムの短縮
定置型バッテリーが 1 日に 1 回の浅いサイクルのみを完了し、特別な充電や温度要件がない場合は、LFP ソリューションの方が投資収益率が向上する可能性があります。
LTO 市場には、LFP 市場や NMC 市場に比べて大規模セルのサプライヤーが少なく、標準化されたモデルも少ないです。
技術的に適切なセルには、サンプル、パイロット生産、将来のリピート注文のための現実的な供給経路も必要です。エンジニアは、1 回限りのバッチとしてのみ利用可能なセルを中心としたパック設計全体を完了することは避けるべきです。
次の比較は、一般的な傾向を示しています。実際の性能は、選択したセルのデータシートとテスト結果から確認する必要があります。
| パラメータ | LTO | LFP | NMC |
|---|---|---|---|
| 典型的な公称セル電圧 | 2.3V～2.4V | 約3.2V | 約3.6V～3.7V |
| エネルギー密度 | 低い | 中くらい | 高い |
| サイクル寿命の可能性 | 非常に高い | 高い | 中程度から高程度 |
| 急速充電機能 | 選択された細胞に最適 | 中程度から高程度 | モデルに依存 |
| ハイパワー機能 | 選択された細胞に最適 | 中程度から高程度 | 中程度から高程度 |
| 低温充電 | 選択された細胞に強い | 通常は制限されています | 通常は制限されています |
| 熱安定性 | とても強い | 強い | より要求の厳しい |
| kWhあたりの初期費用 | 高い | 通常最低 | 中～高 |
| 最適な用途 | ハイサイクルおよび急速充電システム | 一般的な収納と可動性 | 重量と距離に応じた機動性 |
化学は、1 つのカテゴリで最も価値の高いテクノロジーを選択するのではなく、デューティ サイクルに従って選択する必要があります。
LTO は電気化学を表します。ポーチ、角柱、円筒形は物理的なセルの形式を表します。
セルの化学的性質とセルの形式は個別に決定されます。フォーマットが異なる 2 つの LTO セルは、公称電圧と容量が似ていても、機械的、熱的、およびアセンブリ特性が異なる場合があります。
LTO パウチセルは、硬い金属缶の代わりに、ラミネートされたアルミニウムとプラスチックの筐体を使用します。
軽量の筐体により、不活性物質の削減に役立ちます。また、そのフラットな形状により、バッテリー コンパートメントのスペースを効率的に使用でき、接触冷却用に広い表面積を提供できます。
大型 LTO パウチセルを使用すると、より少ないセルとより少ない並列グループでバッテリーモジュールを構築できる可能性があります。これにより、セルのマッチングが簡素化され、電気接続の数が削減されます。
プロジェクトで次のことが必要な場合、LTO パウチ セルを検討する価値があります。
限られた設置スペースでもハイパワーを実現
細胞数の減少
軽量モジュール構造
カスタムモジュールレイアウトに適したフラットセル
熱管理のための大きな接触面
急速充電と頻繁なサイクリング
カスタマイズされた筐体形状
パウチ構造には慎重な機械的統合が必要です。完全な設計には、制御された圧縮、電気絶縁、穿刺保護、タブ周囲の張力緩和、および振動に対する確実なサポートが含まれている必要があります。
LTO アノードの「ゼロひずみ」動作では、圧縮設計の必要性が排除されるわけではありません。完成したパウチ電池でも、温度、経年劣化、電圧条件、および他の電池材料の挙動の結果として、通常の厚さの変化やガスの発生が発生する可能性があります。
詳しくはこちら バッテリーパックの設計においてパウチセルの圧縮が必要な理由.
角柱状 LTO セルは、堅固な長方形の金属製筐体を使用します。その規則的な形状により、モジュールの位置合わせが簡単になり、個々のセル レベルでより優れた機械的保護を提供できます。
これらは次のような用途に適していると考えられます。
産業用車両
鉄道システム
据え置き型高出力モジュール
大きな長方形のバッテリーコンパートメントを備えた機器
構造剛性を優先したプロジェクト
欠点としては、エンクロージャの重量が増加すること、寸法が固定されること、不規則なスペースにセルを適合させるためのオプションが少ないことが挙げられます。
角形セルが自動的に最も安全または最も耐久性のある選択肢になるわけではありません。端子の設計、内部抵抗、セルの品質、取り付け圧力、バスバーの信頼性は引き続き重要です。
円筒形 LTO セルは、剛性の高い金属シェルと標準化された円形構造を備えています。これらは一般に、高出力モジュール、始動システム、カーオーディオバッテリー、産業機器、小型バッテリーパック用として考慮されています。
それらの利点は次のとおりです。
細胞レベルでの強力な機械的保護
成熟したホルダーと組み立て方法
セル配置による柔軟なパック形状
厳選された高レートモデルの利用可能性
標準セルサイズの交換が容易
主なトレードオフは細胞数です。高容量パックでは、多数の円筒形セルを並列に必要とする場合があり、より多くの溶接点、ホルダー、および電流共有経路が作成されます。丸い形状はセルの間にスペースも残します。
| 選択係数 | LTOパウチ | LTO角柱 | 型 LTO円筒型 |
|---|---|---|---|
| セルの筐体 | ラミネートフィルム | 剛性の高い長方形の金属ケース | 剛性の高いラウンドメタルケース |
| パックスペースの使用率 | 素晴らしい | 通常のエンクロージャで良好 | セルギャップのため低い |
| 機械的保護 | 主にパックで提供されます | 細胞レベルの強固な構造 | 細胞レベルの強固な構造 |
| 典型的な細胞数 | 低から中程度 | 低から中程度 | 中～高 |
| モジュールの柔軟性 | 高い | 適度 | ハイスルーアレンジメント |
| 接続作業 | 大規模な接続の減少 | 大規模な接続の減少 | より小さなつながり |
| 設計上の重要な問題 | 圧縮とタブの保護 | 実装および端子応力 | 溶接と電流共有 |
| 適切なプロジェクト | コンパクトなカスタムモジュール、AGV、電動モビリティ | 産業用モジュールと通常のエンクロージャ | ハイパワーパックを標準化 |
プロジェクトで LTO 化学の性能が必要だが、重量と設置スペースを無視できない場合、LTO パウチセルが有力な候補になります。
典型的な例は次のとおりです。
急速充電を頻繁に行う電動スクーターおよび電動バイク
タスクの合間に充電するAGVと倉庫ロボット
高いピーク電流需要がある産業機械
高い充電電流を繰り返し吸収する回生システム
設置スペースが狭い、または不規則なカスタム バッテリー モジュール
寒冷環境で動作するモバイル機器
パウチセルは、軽いという理由だけで選択すべきではありません。容量、内部抵抗、充電速度、放電速度、寸法、タブのデザインはすべてバッテリーシステムに一致する必要があります。
セルがエネルギー型設計であるか電力型設計であるかを判断することも重要です。 2 つの 10Ah LTO パウチ セルは、許容電流と熱挙動が大きく異なる場合があります。
味仙ではさまざまなメニューをご用意しております。 LTO パウチ セル。高出力、急速充電、カスタム バッテリー モジュール プロジェクト用のオプションが含まれます。
ターゲットパック電圧を想定される 2.4V 値で割ってそこで停止しないでください。
確認する：
最大セル充電電圧
公称セル電圧
推奨放電終止電圧
機器の動作電圧範囲
充電器出力電圧
ピーク負荷時の電圧低下
完成したバッテリーは、フル充電から低充電状態まで、モーター コントローラー、インバーター、または DC 電源システムとの互換性を維持する必要があります。
LFP または NMC BMS は、電圧しきい値とソフトウェアが選択した LTO セルに対して正しく設定できない限り使用しないでください。
BMS は以下をサポートする必要があります。
過充電および過放電のしきい値を修正する
セルバランシング
充放電過電流保護
短絡保護
温度監視
正確な電流測定
SOC の推定
必要な場合、CAN、UART、RS485などの通信
一部の LTO セルは動作電圧曲線が比較的平坦であるため、電圧だけでは正確な SOC 情報が得られない場合があります。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。
20Ah バッテリーは、すべての 20Ah アプリケーションを自動的にサポートするわけではありません。
バッテリー パックが 200A を供給する必要がある場合、選択したセル、バスバー、ケーブル、コネクタ、コンタクター、ヒューズはすべてその電流で評価する必要があります。
重要なテストには次のものが含まれます。
直流内部抵抗
電圧降下
連続吐出温度
パルス放電性能
急速充電温度
セル間の温度差
接続抵抗
パウチセル設計の場合、モジュールは制御されない圧力を加えずに動きを防止する必要があります。
機械設計では以下を提供する必要があります。
均一なセル圧縮
断熱圧縮プレート
鋭利な接触面がないこと
通常の公差と厚さの変更のためのスペース
タブ周りの保護
耐振動実装
筐体からの電気的分離
角柱状および円筒状のセルも確実に取り付ける必要があります。硬いセルケースは、バスバーの緩み、端子の応力、繰り返しの振動による損傷を防ぐことはできません。
データシートはセル選択の始まりであり、終わりではありません。
サンプル テストでは、次のようなプロジェクトの予想される条件を再現する必要があります。
必要な連続電流とピーク電流
充電速度
低温および高温動作
実際の冷却方法
機械的圧縮
直列および並列構成
毎日のデューティサイクル
プロジェクトが量産に移行する場合、サプライヤーは入荷検査、セルのマッチング、トレーサビリティ、および許容可能なバッチ変動も定義する必要があります。
AGV や産業用ロボットは、シフトごとに複数の部分サイクルを完了することがよくあります。急速充電により、バッテリのサイズが削減され、機器を長期間使用し続けることができます。
固定路線車両は、ターミナルまたは予定された停留所で充電できます。 LTO は、急速充電と高い回生制動電流が 1 回の充電あたりの最大走行距離より価値がある場合に役立ちます。
クレーン、港湾設備、鉱山設備、生産機械には、高出力、頻繁なサイクル、信頼性の高い低温動作が必要な場合があります。
周波数調整システムは、多くの短時間の充電および放電イベントを実行します。 LTO は、電力応答とサイクル スループットが蓄積キロワット時あたりの最小コストよりも重要な場合に適しています。
厳選された LTO セルは、長い耐用年数と強力な安全性プロファイルが必要なアプリケーションに使用されます。完成したバッテリーは、該当するすべての医療機器、電気および輸送のテストを完了する必要があります。
屋外モニタリング、鉄道システム、冷蔵設備、および遠隔産業システムは、LTO の低温充電受け入れの恩恵を受けることができます。選択したセルの正確な温度と許容電流を検証する必要があります。
有用な LTO の調査には、電圧と容量以上のものを含める必要があります。
可能な限り次の情報を提供してください。
必要な公称電圧
必要な容量またはエネルギー
最大充電電圧
連続放電電流
ピーク放電電流と持続時間
最大充電電流
使用温度範囲
取り付け可能寸法
最大バッテリー重量
1 日あたりの予想サイクル数
必要寿命
冷却方法
通信要件
認証と対象市場
試作・生産数量
これらの詳細により、サプライヤーは LTO が適切かどうか、またパウチ、角形、または円筒形のセルのいずれが最適であるかを判断できます。
セルのモデルと動作条件に応じて、LTO バッテリーは数千または数万のサイクルを提供できます。サイクル寿命は常に、放電深度、充電率、温度、指定された寿命末期容量とともに評価する必要があります。
多くの LTO セルは、従来のグラファイトアノード リチウムイオン セルよりも高速な充電をサポートしています。最大充電速度はモデルと温度によって異なります。セルメーカーが指定した電流を使用し、完成したモジュールの温度上昇を検証します。
充電式バッテリーは完全に耐火性があると表現されるべきではありません。 LTO は強力な熱安定性を備えており、一般に多くの高エネルギーリチウムイオン化学物質よりも火災の危険性が低くなりますが、完全なシステムには依然として BMS、溶断、絶縁、機械的保護、および適切なテストが必要です。
一部の LTO セルは 0°C 未満での充電が可能で、一部のモデルは -30°C の低温での動作が指定されています。電流制限と利用可能な容量は特定のセルによって異なるため、データシートとサンプル テストの結果を確認する必要があります。
LTO は一般に、より高速な充電、より高いサイクル寿命の可能性、およびより優れた低温充電受け入れを実現します。 LFP は、エネルギー密度が高く、公称セル電圧が高く、キロワット時あたりのコストが低くなります。通常、LFP は一般的なエネルギー貯蔵に適していますが、LTO は使用率の高い急速充電アプリケーションに価値があります。
どちらの形式も一般的に優れているわけではありません。パウチセルは効率的なパッケージング、セル数の削減、軽量モジュール構造を実現します。円筒形セルは、強力な個別ハウジング、標準化されたサイズ、および成熟した組み立て方法を提供します。適切なフォーマットは、電流、寸法、生産量、機械的要件によって異なります。
高出力、頻繁な急速充電、長いサイクル寿命、または低温での動作を必要とする電動バイクに適しています。バッテリーの重量とエネルギー密度が主な優先事項である長距離バイクの場合は、NMC パウチ セルがより良い選択となる可能性があります。
LTO バッテリーを選択する必要があるのは、単純に優れたサイクル寿命数値を提供するためではなく、アプリケーションでその特有の強みを活用できるためです。
頻繁なサイクリング、急速充電、高出力または低温での動作により、機器のダウンタイムと総所有コストを削減できる場合は、LTO を選択してください。エネルギー密度、最小梱包重量、または初期コストがより重要な場合は、LFP または NMC を検討してください。
化学的性質を選択した後、セルの形式を比較します。 LTO パウチ セルは、プロジェクトでセル数の削減、スペースの効率的な使用、カスタマイズされたモジュール構造が必要な場合に特に役立ちます。角柱状および円筒状のセルは、その機械的設計、標準化、または利用可能な仕様がより適切に適合する場合、依然として価値があります。
味仙用品 LTO バッテリー セル。 ポーチ、角柱、円筒形の当社は、プロジェクトの電圧、容量、電流、温度、設置要件に基づいて、セルの選択、サンプル評価、セルのマッチング、BMS の選択、カスタム モジュールまたはバッテリー パックの開発をサポートできます。
セルの選択プロセスを開始するには、電気要件と利用可能なバッテリーコンパートメントの寸法を当社に送信してください。
