Einführung in die LTO-Batterietechnologie
Die Lithium-Titan-Oxid (LTO) Batterietechnologie bietet erhebliche Vorteile für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen häufiges Laden und Entladen der Batterien erforderlich ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ist die LTO-Technologie äußerst robust und langlebig, was zu einer Reduzierung der Gesamtbetriebskosten führt. Insbesondere in Bereichen wie der Logistik, wo kompakte und leistungsstarke Batterien für effiziente Mobilitäts- und Lieferkonzepte unerlässlich sind, kann der Einsatz von LTO-Batterien entscheidende Vorteile bieten.
Dieser Artikel befasst sich eingehend mit der LTO-Technologie und zeigt am Beispiel fahrerloser Transportsysteme (FTS) auf, wie die Verwendung von LTO-Batterien dazu beitragen kann, die Batterieleistung zu optimieren und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten zu senken.
Funktionsweise der LTO-Batterietechnik
LTO-Batterien unterscheiden sich grundlegend von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch ihre chemische Zusammensetzung. Anstelle einer Graphitanode verwenden sie eine Anode aus Lithiumtitanat (Li4Ti5O12). Diese Spinellstruktur weist eine dreifach größere Oberfläche als Kohlenstoff auf, wodurch Lithium-Ionen während des Ladevorgangs leicht in die Hohlräume eindringen können. Dadurch entsteht ein geringerer Innenwiderstand, der höhere Ströme ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Formstabilität der LTO-Anode. Durch die minimale Volumenänderung beim Ein- und Auslagern der Lithium-Ionen bleibt die Kristallstruktur nahezu unverändert. Dies führt zu einer außergewöhnlichen Zyklenfestigkeit – selbst nach 8.000 Zyklen bei 5C zwischen 10-90% Ladezustand behielt Toshibas LTO-Zelle fast 100% ihrer Nennkapazität.
Obwohl LTO-Zellen mit 2,3V eine niedrigere Spannung als andere Li-Ionen-Zellen (3,6V) aufweisen, bietet diese Eigenschaft einen entscheidenden Sicherheitsvorteil. Das Risiko einer Lithium-Metallabscheidung wird weitgehend ausgeschlossen, sodass keine Lithium-Dendriten beim Schnellladen bei tiefen Temperaturen entstehen. Im unwahrscheinlichen Fall eines internen Kurzschlusses entladen sich LTO-Zellen zudem langsamer als Zellen mit Kohlenstoffanoden, was das Risiko eines thermischen Durchgehens stark reduziert.
Einsatz von LTO in fahrerlosen Transportsystemen
Unternehmen streben nach mehr Effizienz und treiben daher die Automatisierung in allen Fertigungsbereichen voran. Ein besonderer Fokus liegt auf fahrerlosen Transportsystemen (FTS) – kleine elektrisch betriebene Fahrzeuge, die Materialien und Waren in Fabriken und Lagern bewegen. Diese Systeme sind oft rund um die Uhr im Einsatz. Bei der Betrachtung des typischen Arbeitsprofils eines kleinen FTS zeigen sich die Vorteile der LTO-Batterietechnik.
Rund 75 Prozent der Zeit bewegen sich die FTS mit geringem Stromverbrauch vorwärts. Das Anheben der Last verbraucht die meiste Energie, während beim Absenken Energie zurückgewonnen und an die Batterie zurückgeführt wird. An einem typischen 20-Stunden-Tag verbraucht ein solches FTS etwa 48 kWh Energie bei etwa 1.200 Fahrten.
Für die Ladestrategie und die Auswahl der optimalen Batterie gibt es zwei Möglichkeiten: Das FTS kann einen ganzen Arbeitstag lang in Betrieb sein und dabei eine große Batterie entladen, die dann in etwa einer Stunde wieder aufgeladen wird. Oder eine viel kleinere Batterie wird über den Tag hinweg regelmäßig wieder aufgeladen. In Bezug auf die Arbeitszeit sind die beiden Szenarien gleich, wobei 60 Minuten pro Tag geladen wird.
Die erste Option mit täglichem Laden erfordert eine Batterie mit einer Kapazität von 165 Ah. Selbst beim Einsatz von NMC-Zellen mit einer sehr hohen Energiedichte von 20 Wh/kg würde die Batterie so immer noch fast 40 kg wiegen. Bei der zweiten Option wird ein Akku mit deutlich geringerer Kapazität von etwa 16,5 Ah während des Betriebs zehnmal täglich für sechs Minuten nachgeladen. Die Herausforderung besteht darin, dass für diesen Betrieb ein viel schnelleres Laden erforderlich ist – die relative Ladeleistung ist zehnmal höher (6C). Möglich macht dies die LTO-Technik, die sich auch bei niedrigen Temperaturen schneller wieder aufladen lässt, ohne dass die Gefahr der Ablagerung metallischen Lithiums (Lithium-Plating) besteht. Dadurch wiegt diese Lösung trotz der geringeren Energiedichte weniger als 10 kg und bei einem angenommenen Faktor von zwei für Euro/kWh liegen die Kosten für die Zellen trotzdem nur bei einem Fünftel.
Kostenvorteile von LTO-Batterien
Für die Ladestrategie und die Auswahl der optimalen Batterie in fahrerlosen Transportsystemen (FTS) gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste Option ist, dass das FTS einen ganzen Arbeitstag lang in Betrieb ist und dabei eine große Batterie mit einer Kapazität von 165 Ah entlädt, die dann in etwa einer Stunde wieder aufgeladen wird. Bei Verwendung von NMC-Zellen mit einer sehr hohen Energiedichte von 20 Wh/kg würde diese Batterie fast 40 kg wiegen.
Die zweite Option ist, eine viel kleinere Batterie mit einer Kapazität von etwa 16,5 Ah während des Betriebs zehnmal täglich für sechs Minuten nachzuladen. Hier besteht die Herausforderung darin, dass für diesen Betrieb ein viel schnelleres Laden mit einer relativen Ladeleistung von 6C erforderlich ist. Dank der LTO-Technik, die sich auch bei niedrigen Temperaturen schnell wieder aufladen lässt, ohne dass die Gefahr der Ablagerung von metallischem Lithium besteht, wiegt diese Lösung trotz der geringeren Energiedichte weniger als 10 kg.
Bei einem angenommenen Faktor von zwei für Euro/kWh liegen die Kosten für die LTO-Zellen trotzdem nur bei einem Fünftel im Vergleich zur ersten Option mit NMC-Zellen. Abgesehen von den niedrigeren Anschaffungskosten der Batterie werden ihre geringere Größe und ihr geringeres Gewicht das Design vereinfachen und die Kosten des FTS senken. Der Betrieb gestaltet sich dadurch wesentlich effizienter, und neue Anwendungen wie Shuttles, die mit den Lagerregalen verbunden sind, werden möglich.
Robustheit und Sicherheit von LTO
Die LTO-Technologie überzeugt nicht nur durch ihre hervorragende Leistungsfähigkeit, sondern auch durch ihre außergewöhnliche Robustheit und Sicherheit im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien. Dank der geringen Volumenänderung beim Laden und Entladen der Lithium-Ionen weist die Spinellstruktur der LTO-Anode eine bemerkenswerte Formstabilität auf. Diese Eigenschaft führt zu einer beeindruckenden Zyklenfestigkeit, bei der selbst nach 8.000 Zyklen kontinuierlichen Ladens und Entladens bei hohen Strömen von 5C kaum Kapazitätsverluste zu verzeichnen sind.
Ein weiterer Vorteil der LTO-Technologie ist ihre herausragende Brandsicherheit. Durch die niedrigere Zellenspannung von 2,3 V im Vergleich zu 3,6 V bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen wird das Risiko einer Lithium-Metallisierung weitgehend ausgeschlossen. Selbst beim Schnellladen bei niedrigen Temperaturen bilden sich keine gefährlichen Lithium-Dendriten. Im unwahrscheinlichen Fall eines internen Kurzschlusses entladen sich LTO-Zellen zudem deutlich langsamer als Zellen mit Kohlenstoffanoden. Die langsamere chemische Reaktion führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung, wodurch das Risiko eines thermischen Durchgehens und einer unkontrollierten Ausbreitung erheblich reduziert wird.
Darüber hinaus müssen LTO-Akkus nicht erwärmt werden, um geladen zu werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Sicherheit und Effizienz beiträgt. Diese Eigenschaften machen die LTO-Technologie zu einer überaus robusten und sicheren Wahl, insbesondere für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen wie beispielsweise in der Schifffahrt.
Toshibas industrielle LTO-Batterielösung
Toshiba bietet eine speziell für Anwendungen wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) entwickelte 24V/22Ah-LTO-Batterie an. Dieser kompakte Akku zeichnet sich durch ein geringes Gewicht von nur 8 kg und kompakte Abmessungen von 247 mm x 188 mm x 165 mm aus. Trotz seiner Kompaktheit liefert er beeindruckende Leistungswerte: Bei Betriebstemperaturen von -30°C bis +45°C kann er Ströme von bis zu 125A für 200 Sekunden bereitstellen.
Die LTO-Batterien von Toshiba sind nicht nur leistungsstark, sondern auch flexibel einsetzbar. Sie lassen sich sowohl parallel als auch in Reihe schalten, um den Spannungsbedarf von 48V für FTS-Anwendungen zu erfüllen. Über eine integrierte CAN-Bus-Schnittstelle können Status- und Diagnosedaten ausgelesen werden, was eine effiziente Überwachung und Wartung ermöglicht.
Fazit
FTS erfreuen sich wachsender Beliebtheit und müssen kompakt, wendig, zuverlässig sowie kosten- und energieeffizient sein. Die Wahl der richtigen Batterietechnologie ist entscheidend. Während der allgemeine Trend mehr Batteriekapazität zu niedrigeren Kosten fordert, kann der Einsatz von LTO-Akkus für anspruchsvolle Anwendungen mit häufigem Laden die Gesamtkosten erheblich senken und gleichzeitig eine sicherere und robustere Lösung bieten.
Dank des geringen Innenwiderstands und der Abwesenheit von Lithium-Plating können LTO-Zellen sehr schnell geladen werden, ohne Leistungseinbußen oder Sicherheitsrisiken. Ihre hohe Zyklenfestigkeit und Formstabilität sorgen für eine lange Lebensdauer und minimieren Ausfallzeiten. Das geringe Gewicht vereinfacht das Design und senkt die Herstellungskosten von FTS und anderen kompakten Fahrzeugen.
Obwohl LTO eine geringere Energiedichte als einige andere Li-Ionen-Technologien aufweist, überwiegen für Anwendungen mit häufigem Laden/Entladen die Vorteile der höheren Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Kosteneffizienz über den gesamten Lebenszyklus. LTO-Batterien sind daher eine vielversprechende Lösung zur Optimierung von FTS und anderen Systemen mit anspruchsvollen Ladezyklen.
James
Gründer von Balkonkraftwerk800W. Seit 2019 spezialisiere ich mich auf das Verfassen zahlreicher Solar-PV-Testberichte, PV-Produktvergleiche und Balkonkraftwerk-Ratgeber. Ich behalte stets eine objektive und unabhängige Perspektive bei.