鈦酸鋰電池的結(jié)構(gòu)組成及在應(yīng)用中具有哪些優(yōu)缺點？

鈦酸鋰電池的組成

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

鈦酸鋰電池技術(shù)的優(yōu)缺點

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(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點，所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

鈦酸鋰電池作為負極材料時電位平臺高達1.55V，比傳統(tǒng)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。

由于鈦酸鋰電池在高溫、低溫環(huán)境中均可以達到安全使用，也體現(xiàn)出其耐寬溫(尤其耐低溫)的重要優(yōu)勢。目前，銀隆鈦酸鋰電池的安全工作溫度區(qū)域在-50度到65度之間。

循環(huán)壽命長。與傳統(tǒng)鋰離子電池普遍采用的石墨材料相比，鈦酸鋰電池材料在充放電嵌脫鋰過程中，骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生收縮或膨脹，被稱為零應(yīng)變材料，避免了一般電極材料脫/嵌鋰離子時晶胞體積應(yīng)變而造成的電極結(jié)構(gòu)損壞的問題。

鈦酸鋰電池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(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

鈦酸鋰電池相對其他類型的鋰離子動力電池能量密度會低一些。

鈦酸鋰電池原理

鈦酸鋰電池由正、負極板(正極活性物質(zhì)為三元鋰，負極為鈦酸鋰)、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼(鋁合金)外殼等組成。正負極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道，極耳起到引導(dǎo)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(jīng)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(jié)構(gòu)材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經(jīng)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(jīng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)材料中脫嵌，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解質(zhì)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(jīng)導(dǎo)電體流向負極的鋁箔電極，經(jīng)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(jīng)導(dǎo)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(yīng)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。

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(tài)。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)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(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，因此被稱作“零應(yīng)變”材料，從而保證了其良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰循環(huán)壽命曲線

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)——Li7TI5O12與Li4TI5O12。產(chǎn)生Li7TI5O12的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu)，且晶格常數(shù)變化很小，同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來容量的衰減，使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

鈦酸鋰電池的電化學(xué)反應(yīng)方程式：

總化學(xué)反應(yīng)方程式：

鈦酸鋰電池的結(jié)構(gòu)組成

鈦酸鋰電池微觀三維結(jié)構(gòu)

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(LTO)特性

鈦酸鋰(LTO)材料在電池中作為負極材料使用，由于其自身特性的原因，材料與電解液之間容易發(fā)生相互作用并在充放循環(huán)反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體析出，因此普通的鈦酸鋰電池容易發(fā)生脹氣，導(dǎo)致電芯鼓包，電性能也會大幅下降，極大地降低了鈦酸鋰電池的理論循環(huán)壽命。測試數(shù)據(jù)表明，普通的鈦酸鋰電池在經(jīng)過1500-2000次左右的循環(huán)就會發(fā)生脹氣的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常使用，這也是制約鈦酸鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的一個重要原因。

鈦酸鋰電池的脹氣形式

鈦酸鋰(LTO)電池性能改進是單個材料的性能的提升以及各關(guān)鍵材料的有機整合的綜合體現(xiàn)。針對快速充電與長使用壽命的要求，除負極材料以外，還要針對鋰離子電池的其他關(guān)鍵原材料(包括正極材料、隔膜、以及電解液)，同時結(jié)合特殊的工程化工藝經(jīng)驗，最終形成了"不脹氣"的鈦酸鋰LpTO電池產(chǎn)品，并首先實現(xiàn)了在電動公交客車上的批量應(yīng)用。

測試數(shù)據(jù)表明，在6C充電，6C放電，100%DOD的條件下，鈦酸鋰LpTO單體電池的循環(huán)壽命超過25 000次，剩余容量超過80%，同時電芯產(chǎn)生的脹氣現(xiàn)象不明顯，不影響其壽命;而重慶快速充電純電動公交的實際應(yīng)用情況也表明，在電池成組以后，電性能的表現(xiàn)也相當(dāng)優(yōu)異，可以保證純電動公交客車的日常商業(yè)化運營。

鈦酸鋰電池優(yōu)點

采用電動車輛取代燃油車輛是解決城市環(huán)境污染的最佳選擇，其中鋰離子動力電池引起了研究者的廣泛關(guān)注.為了滿足電動車輛對車載型離子動力電池的要求，研制安全性高、倍率性能好且長壽命的負極材料是其熱點和難點。

與碳材料相比，尖晶石型的Li4Ti5O12具有明顯的優(yōu)勢:

1、它為零應(yīng)變材料，循環(huán)性能好;

2、放電電壓平穩(wěn)，而且電解液不致發(fā)生分解，提高鋰電池安全性能;

3、與炭負極材料相比，鈦酸鋰具有高的鋰離子擴散系數(shù)(為2 *10-8cm2/s)，可高倍率充放電等。

鈦酸鋰電池6C倍率放電倍率

4、鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高，不易產(chǎn)生鋰枝晶，為保障鋰電池的安全提供了基礎(chǔ)。

鈦酸鋰作為負極材料時電位平臺高達1.55V，比傳統(tǒng)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(shù)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?；顫姷慕饘黉嚕@種鋰離子不僅導(dǎo)電，還能跟電解液起反應(yīng)，然后釋放熱量，產(chǎn)生可燃氣體，引發(fā)火災(zāi)。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。

5、由于鈦酸鋰電池在高溫、低溫環(huán)境中均可以達到安全使用，也體現(xiàn)出其耐寬溫(尤其耐低溫)的重要優(yōu)勢。目前，銀隆鈦酸鋰電池的安全工作溫度區(qū)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?cè)萘康?4%，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(yīng)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(dāng)，而普通石墨負極材料電池平均壽命不過3-4年。從全壽命期看，鈦酸鋰電池成本更低。

6、鈦酸鋰的最后一個優(yōu)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?；阝佀徜囯姵氐倪@些技術(shù)特點，業(yè)內(nèi)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

商業(yè)化的鋰離子電池負極主要采用碳材料，但以碳做負極的鋰電池在應(yīng)用上仍存在一些弊端:

1、過充電時易析出鋰枝晶，造成電池短路，影響鋰電池的安全性能;

2、易形成SEI膜而導(dǎo)致首次充放電效率較低，不可逆容量較大;

3、即碳材料的平臺電壓較低(接近于金屬鋰)，并且容易引起電解液的分解,從而帶來安全隱患。

4、在鋰離子嵌入、脫出過程中體積變化較大，循環(huán)穩(wěn)定性差。

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(dǎo)率(10-13S/cm)和鋰離子擴散系數(shù)(10-10~10-13cm2/S)極大地限制了在大倍率充放下的應(yīng)用。有學(xué)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(yīng)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(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

鈦酸鋰電池在循環(huán)使用中會發(fā)生持續(xù)產(chǎn)氣，導(dǎo)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(fā)揮。這也是限制負極材料鈦酸鋰廣泛應(yīng)用到電池中的主要障礙之一。

鈦酸鋰電池：銀隆鈦酸鋰電池是以鈦酸鋰為負極的新型鋰離子電池，由于鈦酸鋰材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在充放電過程中，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結(jié)構(gòu)的變化，被稱為零應(yīng)變材料。

鈦酸鋰電池的優(yōu)缺點分析：

優(yōu)點：

1、安全

鈦酸鋰作為負極材料時電位平臺高達1.55V，比傳統(tǒng)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。

2、耐寬溫性能良好

由于鈦酸鋰電池在高溫、低溫環(huán)境中均可以達到安全使用，也體現(xiàn)出其耐寬溫(尤其耐低溫)的重要優(yōu)勢。目前，銀隆鈦酸鋰電池的安全工作溫度區(qū)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?cè)萘康?4%，在嚴寒天氣下根本無法正常工作。

3、快充能力強

鈦酸鋰的快速充放電能力強，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，目前快充鐵鋰已經(jīng)可以做到5-6C充放。

4、循環(huán)壽命長

銀隆鈦酸鋰電池號稱最多可循環(huán)充放3萬次，而普通的電池一般循環(huán)使用次數(shù)普遍只在4000-5000

缺點：

致命缺陷：太貴了!

目前，銀隆鈦酸鋰電池原材料包括氫氧化鈦和氫氧化鋰，其價格高于石墨類負極材料。根據(jù)中國電池網(wǎng)調(diào)研結(jié)果，目前磷酸鐵鋰、三元電池成本在1100元/kwh-1200元/kwh，而鈦酸鋰電池成本約為三元電池2-3倍。

能量密度低

目前磷酸鐵鋰的實際比能量基本為100-120Wh/kg，頭部廠商能做到更高。三元就更不用說了，基本是可以做到200Wh/kg+的。而鈦酸鋰電池，根據(jù)市場消息，銀隆大概就是90Wh/kg而已，能量密度太低了!

脹氣問題

鈦酸鋰電池中，電解液不停的與負極發(fā)生副反應(yīng)，會持續(xù)產(chǎn)氣，目前且只能減緩無法消除。脹氣會導(dǎo)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(fā)揮，也會極大地降低了鈦酸鋰電池的理論循環(huán)壽命。