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Lithiumtitanat-Akkumulator
Der Lithiumtitanat-Akkumulator (Lithium-Titanium-Oxide, LTO) ist eine Ausführung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die negative Elektrode aus …
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Grundprinzip und Bedeutung
Der Lithiumtitanat-Akkumulator (Lithium-Titanium-Oxide, LTO) ist eine Variante des Lithium-Ionen-Akkumulators. Seine negative Elektrode besteht nicht aus Graphit, sondern aus gesintertem Lithiumtitanspinell (Li₄Ti₅O₁₂).
Lithium ist im Titanat chemisch stärker gebunden. Dadurch entsteht auf der gesinterten Elektrode keine isolierende Oberflächenschicht, die bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus mit Graphitelektrode eine Hauptursache der Alterung ist. Das ermöglicht eine hohe Zyklenfestigkeit, also eine große Zahl von Lade- und Entladevorgängen, selbst bei hohen Laderaten zwischen 10C und 70C.
Sicherheit, Temperatur und Nachteile
Da das Titanat nicht mit Oxiden aus der negativen Elektrode reagieren kann, wird ein thermisches Durchgehen – eine unkontrollierte, sich selbst verstärkende Erwärmung – bei dieser Bauform selbst im Fall mechanischer Schäden verhindert. Außerdem kann der Akkumulator bei Außentemperaturen bis −40 °C betrieben werden.
Nachteilig ist die gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus geringere Leerlaufspannung von etwa 2,4 V. Sie führt zu einer vergleichsweise niedrigen Energiedichte von 30 Wh/kg bis 110 Wh/kg. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Herstellungspreis: Bezogen auf die Kapazität lag er 2019 ungefähr beim Dreifachen eines Lithium-Ionen-Akkus. Dies erschwert eine breite Markteinführung.
Elektrode und Leistungsdaten
Die gesinterte Lithiumtitanat-Elektrode besitzt eine effektiv wirksame Oberfläche von 100 m² pro Gramm. Eine Graphitelektrode eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus erreicht im Vergleich dazu 3 m² pro Gramm. Die größere Oberfläche erlaubt höhere Ladeströme und damit Schnellladungen mit einem C-Faktor um 10. Der C-Faktor beschreibt den Lade- oder Entladestrom im Verhältnis zur Akkukapazität.
Die Leistungsdichte beträgt etwa 4 kW/kg. Die Energiedichte wird in diesem Abschnitt mit 70 Wh/kg bis 90 Wh/kg angegeben und ist damit vergleichsweise niedrig.
Produkte und Fahrzeuge
Toshiba bietet Lithiumtitanat-Akkumulatoren unter dem Handelsnamen Super Charge Ion Battery (SCiB) an, unter anderem für Elektroräder in Japan. Sie werden beziehungsweise wurden außerdem im Mitsubishi i-MiEV, dort nur in Japan, und im Honda Fit EV eingesetzt.
Die Zyklenfestigkeit der Titan-Nioboxid-Anoden (NTO) der SCiB wurde schrittweise erhöht: Ab 2019 erreichten sie 15.000 Zyklen bei 10C; ab 2022 wurden 40.000 Zyklen bei 10C garantiert. Nach Erreichen dieser Technologiereife kamen die Akkus in Batterietriebzügen des Typs Siemens Mireo Plus B zum Einsatz.
Weitere Hersteller und Anwendungen
Weitere Anbieter sind AltairNano, das mehrere Patente zum Aufbau und zum Elektrodenmaterial hält, sowie der chinesische Hersteller Tiankang.
Leclanché SA fertigt in Europa Lithiumtitanoxid-Akkus mit keramischen Separatoren für stationäre Anwendungen und Schiffsantriebe. Bei einer Belastung von 4C nennt der Hersteller Nutzungsdauern von mehr als 15.000 Zyklen. Solche Akkus versorgen unter anderem eine Ostsee-Fähre mit Energie und werden für Spezialanwendungen in Škoda-Bussen genutzt.
Liacon in Norddeutschland entwickelt und fertigt Li-Ti-Fe-Akkus. Diese sollen hochstromfähig und kurzschlussfest sein sowie bis zu 20.000 Zyklen erreichen.