钛酸锂负极锂离子电池

钛酸锂负极锂离子电池1、钛酸锂负极锂离子电池的工作原理简介：

钛酸锂负极锂离子电池主要有正极材料、电解质、隔膜和负极钛酸锂(Li

4Ti

5

O

12

)

材料组成。锂离子电池正极材料一般由能够可逆脱嵌锂离子的活性物质锰酸锂

（LiMn

2O

4

）组成，锰酸锂具有价格便宜（3-4万元/吨），工作平台电压高的特点；

负极是钛酸锂材料；钛酸锂材料理论比容量为175 mAh/g，实际比容量大于160mAh/g。钛酸锂材料有独特的优势;如具有循环寿命长，高稳定性能；放电

平台可达1.55V，且平台非常平坦；Li

4Ti

5

O

12

是一种“零应变材料”，锂离子具

有很好的迁移性。这种零应变性使其在锂电池负极材料中倍受关注。隔膜是现在以碳作负极的锂电池隔膜；电解液是以碳作负极的锂电池电解液；电池壳是以碳作负极的锂电池壳

钛酸锂负极锂离子电池的工作原理可描述为：锂离子电池在充电时，锂离子从正极中脱出，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；然后放电时，锂离子从负极中脱出，同样通过电解质和隔膜，再嵌入到正极中。如此反复循环，由于锂离子在正、负极中有可以容纳的相对固定的空间和位臵，保证了电池充放电反应具有很好的可逆性，从而也在一定程度上保证了电池的循环寿命和安全性能。钛酸锂负极锂离子电池实质上是一种锂离子浓差电池，正负极材料由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证了负极的电荷平衡。放电时则正好相反，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只会引起层面间距的变化，不会破坏晶体的结构；在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因而，从充放电的循环可逆性看，锂离子的电池反应是一种理想的可逆反应，锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物和锂离子的浓度有关。

2.钛酸锂Li4Ti5O12结构及性能

空间群属于Fd3m，尖晶石结构，电位1.55V vs Li+/Li

理论容量175mAh/g

零应变材料 836pm-837pm

合成方法：Li2CO3(稍过量)、TiO2(化学计量比)和活性炭混合，以无水乙醇作为分散剂，混合物用球磨机球磨24h，制得前驱体。前驱体空气中加热到600oC并保温8h，在升温至800oC并保温2h，升温速率为12oC/min,自然冷却，轻度研磨过筛，得

样品，干燥器中保存。

锂源：Li2CO3 钛源：TiO2（锐钛矿）

原料配比：Li稍过量，有研究提出，当n（Li）/n(Ti)=0.84时产物性能最好。

添加剂：反应过程加适量炭黑提高电导性并减小颗粒尺寸，加入掺杂元素如Zr、Sr等进行改性。

条件：制备温度一般控制在800~1000℃，一般时间越长，晶粒生长越完整，不利于循环性，800℃下一般2h保温。

Ag掺杂LTO：采用高温固相反应法

得出结论：

1、Ag掺杂有助于提高容量和循环性

2、Ag掺杂要适量，文章表明3%wt掺杂效果最佳

Cu掺杂：高温固相合成法，Cu(NO3)2 •3H2O为铜源(Li:Ti:Cu=4:5:x)得出结论

1、Cu掺杂没有提高容量，但高倍率循环性能明显改善

Zr掺杂

固相合成法，锂源采用LiAc•2H2O，Zr源采用Zr(NO3)4·5H2O

得出结论：

1、高倍率下首次循环容量有非常大的提升

2、高倍率循环性有较大提升

3、Li4Ti5−xZrxO12中Zr含量0.1时效果最好

碳包覆1

采用polyacrylic acid (PAA)与LiOH反应得PAALi，再进行固相合成反应

结论：

1、碳包覆在表面，提高了电子导电性，高倍率下容量和循环性能均有所提高

PVDF

外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能，是目前含氟塑料中产量名列第二位的大产品，全球年产能超过4.3万吨。PVDF应用主要集中在石油化工、电子电气和氟碳涂料三大领域，由于PVDF良好的耐化学性、加工性及抗疲劳和蠕变性，是石油化工设备流体处理系统整体或者衬里的泵、阀门、管道、管路配件、储槽和热交换器的最佳材料之一。其良好的化学稳定性、电绝缘性能，使制作的设备能满足TOCS以及阻燃要求，被广泛应用于半导体工业上高纯化学品的贮存和输送，近年来采用PVDF树脂制作的多孔膜、凝胶、隔膜等，在锂二次电池中应用，目前该用途成为PVDF需求增长最快的市场之一。PVDF是氟碳涂料最主要原料之一，以其为原料制备的氟碳涂料已经发展到第六代，由于PVDF 树脂具有超强的耐候性，可在户外长期使用，无需保养，该类涂料被广泛应用于发电站、机场、高速公路、高层建筑等。另外PVDF树脂还可以与其他树脂共混改性，如PVDF与ABS树脂共混得到复合材料，已广泛应用于建筑、汽车装饰、家电外壳等。

化学结构中以氟一碳化合键结合，这种具有短键性质的结构与氢离子形成最稳定最牢固的结合．因而氟碳涂料具有特异的物理化学性能，不但有很强的耐磨性和抗冲击性能，而且在极端严酷与恶劣的环境中有很高的抗褪色性与抗紫外线性能。[1]

2、钛酸锂负极锂离子电池的特点介绍：

目前，商业化的锂离子电池负极主要采用碳材料，但以碳做负极的锂电池在应用上仍存在一些弊端：

（1）过充电时易析出锂枝晶，造成电池短路，影响锂电池的安全性能;

（2）易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大;

（3）即碳材料的平台电压较低(接近于金属锂)，并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患。

（4）在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大，循环稳定性差。

与碳材料相比，尖晶石型的Li4Ti5012具有明显的优势：

（1）它为零应变材料，循环性能好; 循环寿命可以达到一万次

（2）放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能;

（3）与炭负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数，可高倍率充放电等；我司制作的钛酸锂负极锂离子电池样品可以高倍率10C充放电；同时具有优良的高温、低温放电性能。

（4）钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂电池的安全提供了基础。