鉅大LARGE | 點擊量：958次 | 2019年04月27日
鈦酸鋰在動力電池中的研究及發(fā)展現(xiàn)狀
從新聞可以得知，我國采用鈦酸鋰電池為動力源的新能源汽車有不少已經(jīng)投入運營。像北汽福田汽車股份有限公司、金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司、廈門金龍汽車集團股份有限公司、安徽安凱汽車股份有限公司、珠海銀隆新能源有限公司等多家企業(yè)也都推出了鈦酸鋰動力電池的新能源客車。
動力電池作為新能源汽車的能量來源，動力電池的性能決定了車輛的性能。動力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容、燃料電池等。目前新能源汽車采用的動力電池主要類型是鋰離子動力電池。
鋰離子動力電池是由正極、負極、隔膜及電解液這四個主要部分構成。其中鋰離子電池的正極一般是具有高電位且可逆脫嵌鋰離子的材料，比如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。鋰離子電池的負極一般是碳負極材料比如石墨。目前對正極材料的研究已經(jīng)達到一個瓶頸，因此對負極材料的研究成為另外一個關鍵。鈦酸鋰作為負極材料里的佼佼者，由此談談鈦酸鋰在動力電池中的研究及發(fā)展現(xiàn)狀。
鈦酸鋰性質(zhì)
動力電池的理想負極材料應具備以下幾個性質(zhì)：高充放電效率和循環(huán)壽命；高結構穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；高比容量，安全性好；資源豐富，價格低廉，制備相對簡單且不會對環(huán)境造成污染等。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前的鋰離子電池負極材料的研究主要集中在碳基材料上。其中碳電極在電池反應過程中進行嵌鋰后的電位接近金屬鋰的電位，一旦電池在過充時，碳電極的表面就容易析出金屬鋰。產(chǎn)生的金屬鋰會跟電解液接觸反應產(chǎn)生可燃性氣體，給動力電池帶來相當大的安全隱患。另外，石墨材料負電極存在與電解液的共嵌入問題，對電解液敏感高，穩(wěn)定性有限導致電極的循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。合金類負極材料與碳負極材料相比具有較高的比容量，在充放電過程中鋰的反復嵌脫會使合金類負極的體積發(fā)生較大變化導致循環(huán)性能變差。石墨類與鈦酸鋰負極材料的一些性質(zhì)參數(shù)如下表所示。
鈦酸鋰動力電池的研究與發(fā)展
鈦酸鋰，Li4Ti5O12，面心立方尖晶石結構。常用的化合物分子式為AM2O4，空間群為Fd3m，晶胞參數(shù)a=0.836nm。這種尖晶石結構對鋰離子有一定的容納空間，通俗來說一個鈦酸鋰能容納3個鋰離子。充放電時的鋰離子嵌入和脫嵌對鈦酸鋰材料的結構幾乎沒有影響，因為鈦酸鋰的晶型結構幾乎沒有發(fā)生變化，a值僅從0.836nm增大到0.837nm。這種現(xiàn)象被稱為“零應變”，因此鈦酸鋰也被稱為“零應變材料”。這種性質(zhì)對電極材料來說具有重要的作用，能夠避免充放電過程中由于材料的伸縮變化而導致結構發(fā)生變化，從而提高電極的性能和減少比容量的大幅度衰減，延長了電池的使用壽命。
鈦酸鋰動力電池的研究與發(fā)展
鈦酸鋰的化學擴散系數(shù)（一般為2×10-8cm2/s）要比碳負極材料的擴散系數(shù)大—個數(shù)量級，高擴散系數(shù)意味著鈦酸鋰要比其他的碳負極材料具備更快和更多的循環(huán)充放電能力。但鈦酸鋰本身并不能提供鋰源，因此只能與含有鋰的電極材料進行搭配。鈦酸鋰作為正極時，負極只能是金屬鋰或鋰合金，此時電池的電壓約為1.5V左右。鈦酸鋰作為負極和LiCoO2、LiMn2O4等正極材料可組成電壓為3V上下的電池。盡管鈦酸鋰可以作為負極也可以作正極使用，但由于相對Li+/Li的電位為1.5V，因此作為正極材料進行研究和應用并不多。尖晶石結構特有三維鋰離子擴散通道，因此鈦酸鋰在高低溫性能上也表現(xiàn)優(yōu)異。
