Logistik Mobilität Lager

Gerade im Logistikbereich ermöglichen kompakte, leistungsstarke Batterien neue Mobilitäts- und Lieferkonzepte. (Bild: Gorodenkoff @ AdobeStock)

Der Umweltschutz und die schwindenden Reserven an fossilen Brennstoffen treiben die Autobauer dazu, den Verbrennungsmotor durch einen elektrischen Antrieb zu ersetzen. Die Batterie wird dabei zum entscheidenden Element in Bezug auf die Fahrzeugreichweite. Die Entwickler sind dazu gezwungen, Batterien bereitzustellen, die immer mehr Kapazität pro Volumeneinheit bieten und gleichzeitig die Kosten, gemessen in Euro/kWh, weiter senken.

Für Fahrzeuge, die lange Strecken zurücklegen müssen, aber relativ selten geladen werden, ist dies genau der richtige Ansatz. Bei anderen Anwendungen, wie beispielsweise Schienenfahrzeugen, Schiffen oder Schwerlastfahrzeugen, kann eine sorgfältige Prüfung alternativer Techniken jedoch zu niedrigeren Kosten und einer höheren Leistungsfähigkeit führen. Anstatt die Batteriekapazität zu den niedrigsten Kosten zu maximieren, ist es oft vorteilhafter, die Batteriekapazität durch regelmäßiges schnelles Aufladen zu optimieren – wie es durch den Einsatz der LTO-Technik möglich ist.

In diesem Beitrag befasst sich Toshiba mit der Lithium-Titanium-Oxyd (LTO)-Batterietechnik und geht der Frage nach, wie sie in Anwendungen mit hoher Beanspruchung, in denen Akkus häufig geladen und entladen werden, erhebliche Vorteile in Bezug auf Leistungsfähigkeit und Kosten bieten kann. Am Beispiel von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTS) wird gezeigt, wie LTO dazu beiträgt, die Batterie zu optimieren und die Gesamtbetriebskosten zu verringern.

So arbeiten Lithium-Titan-Oxid (LTO-)-Batterietechnik

LTO hat eine grundlegend andere chemische Struktur als andere Batterien, was sie zur leistungsstärksten und robustesten Lithium-Ionen-Technik (Li-Ion) macht, die derzeit verfügbar ist. In LTO-Batterien besteht die Anode aus einer Lithiumtitanat-Struktur anstelle des üblicheren Graphitpulvers.

Die Oberfläche dieses Materials ist dreißigmal größer als die von Kohlenstoff. Das vermeidet das Problem der schnellen reversiblen Einlagerung von Lithiumionen in den Kohlenstoff. Stattdessen können die Ionen während des Ladevorgangs leicht die Hohlräume in der Kristallstruktur besetzen, was einer LTO-Batterie einen wesentlich geringeren Innenwiderstand verleiht, der höhere Ströme zulässt.

Aufgrund der geringen, wenn überhaupt vorkommenden, Volumenänderung beim Einlagern und Extrahieren der Lithiumionen, kann die Spinellstruktur einer LTO-Anode als „formstabil“ angesehen werden. Dies führt zu einer hohen Zyklenfestigkeit der Batterie: Selbst nach 8000 Zyklen kontinuierlichen Ladens und Entladens bei 5 C von 10 bis 90 Prozent des vollen SoC-Bereichs (State of Charge; Ladezustand) behielt die neueste Hochleistungs-LTO-Zelle von Toshiba fast 100 Prozent ihrer Nennkapazität bei und zeigte keine erkennbare Abnutzung.

LTO hat eine niedrigere Zellenspannung von 2,3 V im Vergleich zu den 3,6 V anderer Li-Ion-Zellen. Dies führt zu einer geringeren spezifischen Energie, und obwohl LTO-Batterien durchaus in der Lage sind, 100 Wh/kg zu überschreiten, ist dies doch weniger als bei einer vergleichbaren aktuellen NMC- oder LFP-Zelle.

Der Vorteil dieser geringeren Zellenspannung liegt jedoch darin, dass ein Sicherheitsspielraum geschaffen wird, der das Risiko einer Li-Metallisierung weitgehend ausschließt. Dadurch sind LTO-Zellen äußerst sicher und es bilden sich auch beim Schnellladen bei niedrigen Temperaturen keine Li-Dendriten. Im unwahrscheinlichen Fall eines internen Kurzschlusses entladen sich LTO-Zellen außerdem viel langsamer als Zellen mit einer Kohlenstoffanode. Die langsamere chemische Reaktion bedeutet, dass weniger Wärme entsteht, sodass das Risiko eines thermischen Durchgehens und einer Ausbreitung (thermische Propagation) viel geringer ist als bei anderen Arten von Li-Ion-Zellen. Dies ist bei Anwendungen wie Passagierschiffen von entscheidender Bedeutung.

Lithium-Ionen-Batterie LTO-Batterie
Lithium-Ionen ­können leicht in die Hohlräume der LTO-Spinellstruktur eindringen. (Bild: Toshiba)

LTO-Zellen in fahrerlosen Transportsystemen

Da Unternehmen nach mehr Effizienz streben, wird die Automatisierung in allen Fertigungsbereichen vorangetrieben. Ein besonderer Schwerpunkt sind FTS (fahrerlose Transportsysteme – kleine elektrisch betriebene Fahrzeuge, mit denen sich Materialien und Waren in Fabriken und Lagern bewegen lassen). Oft kommen diese rund um die Uhr zum Einsatz. Bei der Betrachtung des typischen Arbeitsprofils eines kleinen FTS zeigen sich die Vorteile der LTO-Batterietechnik in diesen Anwendungen.

Rund 75 Prozent der Zeit bewegen sie sich 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 4,8 kWh Energie – bei etwa 1200 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 Taggeladen wird.

Die erste Option mit täglichem Laden erfordert eine Batterie mit einer Kapazität von165 Ah Kapazität. 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 (6 C). Möglich macht dies die LTO-Technik, 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 lägen die Kosten für die Zellen trotzdem nur bei einem Fünftel.

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.

Auch in Sachen Robustheit und Unempfindlichkeit kann die LTO-Technik punkten: Nicht nur die Brandgefahr ist minimal – LTO-Akkus müssen zum Laden nicht erwärmt werden und während ihrer langen Lebensdauer ist es wahrscheinlich, dass ansonsten zwei oder drei Sätze von NMC-Akkus benötigt würden.

Industrielle Lithium-Ionen-Batterien von Toshiba

Toshibas Angebot an industriellen Batterien umfasst eine 24V/22-Ah-LTO-Batterie, die das Unternehmen speziell für Anwendungen wie FTS entwickelte. Der Akku lässt sich bei Temperaturen von -30 bis +45°C betreiben und liefert bis zu 125 A Strom für 200 Sekunden. Mit Abmessungen von 247 mm × 188 mm × 165 mm und einem Gewicht von 8 kg können die Batterien parallel oder in Reihe geschaltet werden für den 48-V-Betrieb. Status- und Diagnosedaten werden über den CAN-Bus bereitgestellt.

LTO-Batterie Industrial
Die LTO-Batterie stellt eine potenzielle Lösung für FTS dar, da sie kompakt konzipiert ist, ausreichend Leistung bringt und auch nach häufigen Laden kaum abnutzt. (Bild: Toshiba)

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

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Fazit

FTS erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, und um erfolgreich zu sein, müssen sie klein, wendig, zuverlässig und kostengünstig in der Anschaffung und im Betrieb sein. Die Auswahl der richtigen Batterietechnik ist dabei entscheidend. Während der Tenor für Akkus im Allgemeinen „mehr Kapazität zu geringeren Kosten“ lautet, kann die Wahl eines LTO-Akkus für solch anspruchsvolle Anwendungen die Kosten erheblich senken und gleichzeitig eine sicherere und robustere Lösung bieten. (prm)

Volker Schumann

General Manager Battery Sales bei Toshiba Electronics Europe

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