鉅大LARGE | 點擊量：960次 | 2019年04月27日
鈦酸鋰在動力電池中的研究及發展現狀
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投入運營。像北汽福田汽車股份有限公司、金龍聯合汽車工業（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展現狀。
鈦酸鋰性質
動力電池的理想負極材料應具備以下幾個性質：高充放電效率和循環壽命；高結構穩定性、化學穩定性和熱穩定性；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。產生的金屬鋰會跟電解液接觸反應產生可燃性氣體，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，穩定性有限導致電極的循環穩定性受到影響。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生較大變化導致循環性能變差。石墨類與鈦酸鋰負極材料的一些性質參數如下表所示。
鈦酸鋰動力電池的研究與發展
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生變化，a值僅從0.836nm增大到0.837nm。這種現象被稱為“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展
鈦酸鋰的化學擴散系數（一般為2×10-8cm2/s）要比碳負極材料的擴散系數大—個數量級，高擴散系數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優異。
