鉅大LARGE | 點擊量：1199次 | 2023年03月01日
鈦酸鋰離子電池的原理和組成結構介紹
鈦酸鋰電池原理
鈦酸鋰電池由正、負極板（正極活性物質為三元鋰，負極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成。正負極板是電化學反應的區域，隔膜、電解質提供Li+的傳輸通道，極耳起到引導電流的作用。
電池充電時，Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經電解液遷移到負極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負極鈦酸鋰尖晶石結構材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的鋁箔電極，再經導電體流到鈦酸鋰負極，使電荷達至平衡。
電池放電時，Li+從鈦酸鋰尖晶石結構材料中脫嵌，進入電解液，穿過隔膜，再經電解質遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經導電體流向負極的鋁箔電極，經極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經導電體流到三元鋰正極，使電荷達至平衡。
由此可見，鈦酸鋰電池基本原理，就是在充、放電的過程中，對應的鋰離子在正負極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖所示。
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%
電池充電時，正極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負極中;負極嵌入鋰離子的同時得到電子成為富鋰態。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應過程中，鈦酸鋰（Li4TI5O12）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對材料結構幾乎沒有影響，因此被稱作“零應變”材料，從而保證了其良好的循環性能。
鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結構——Li7TI5O12與Li4TI5O12。產生Li7TI5O12的晶體結構與Li4Ti5O12的晶體結構均為尖晶石結構，且晶格常數變化很小，同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環中電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞，從而提高電極的循環性能和使用壽命，減少了隨循環次數的增加而帶來容量的衰減，使鈦酸鋰具有優良的循環性能。
鈦酸鋰電池的結構組成
正極：磷酸鐵鋰、錳酸鋰或三元材料、鎳錳酸鋰。
負極：鈦酸鋰材料。
隔膜：以碳作負極的鋰電池隔膜。
電解液：以碳作負極的鋰電池電解液。
電池殼：以碳作負極的鋰電池殼。
鈦酸鋰電池優點
鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應、自放電率低、充放電迅速、循環壽命超長、工作環境溫度范圍寬、安全穩定綠色環保等特點，所以在通信電源領域具有非常廣泛的應用前景。
鈦酸鋰作為負極材料時電位平臺高達1.55V，比傳統石墨負極材料高出1V還多，雖然損失了一些能量密度，但也意味著電池更加安全。技術專家盧藍光曾表示，電池快速充電時對負極電壓需求比較低，但如果過低，鋰電池就容易析出非常活潑的金屬鋰，這種鋰離子不僅導電，還能跟電解液起反應，然后釋放熱量，產生可燃氣體，引發火災。而鈦酸鋰因為高出來的1V電壓避免了負極電壓為0的情況，也就間接避免了鋰離子的析出，從而保證了電池的安全性。
由于鈦酸鋰電池在高溫、低溫環境中均可以達到安全使用，也體現出其耐寬溫（尤其耐低溫）的重要優勢。目前，銀隆鈦酸鋰電池的安全工作溫度區域在-50度到65度之間，而普通石墨類負極電池在溫度低于-20度時能量就開始衰減，-30度時充電容量僅為充電總容量的14%，在嚴寒天氣下根本無法正常工作。此外，由于鈦酸鋰電池即便過度充電，也僅有1%的體積變化，被稱為零應變材料，這使其有著極長的壽命。銀隆董事長魏銀倉曾表示，銀隆鈦酸鋰電池壽命可達30年，與汽車使用壽命相當，而普通石墨負極材料電池平均壽命不過3-4年。從全壽命周期看，鈦酸鋰電池成本更低。
鈦酸鋰的最后一個優勢是快速充放電能力強，充電倍率高。目前銀隆鈦酸鋰電池的充電倍率有10C、甚至20C，而普通石墨負極材料的電池充電倍率僅有2C-4C。基于鈦酸鋰電池的這些技術特點，業內人士認為其契合了新能源公交車、大型儲能裝備的需求。
鈦酸鋰電池缺點
然極佳的安全性能使得對鈦酸鋰離子電池的研究成為熱點，但是Li4Ti5O12材料本身的較低的電子電導率（10-13S/cm）和鋰離子擴散系數（10-10~10-13cm2/S）極大地限制了在大倍率充放下的應用。有學者研究表明，將Li4Ti5O12的顆粒尺寸納米化以后可以擴大有效的反應面積和減小擴散距離，從而顯著的提升材料的倍率性能。但是需要指出的是，材料顆粒納米化的過程往往比較困難，需要較高的成本，目前難以實現大規模的工業生產。
鈦酸鋰電池在循環使用中會發生持續產氣，導致電池包鼓脹，高溫時尤其嚴重，影響正負極的接觸，增加電池阻抗，影響電池性能的發揮。這也是限制負極材料鈦酸鋰廣泛應用到電池中的主要障礙之一。
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