钛酸锂电池
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钛酸锂电池
钛酸锂电池原理：
钛酸锂电池由正、负极板(正极活性物质为三元锂,负极为钛酸锂)、隔膜、电解质、极耳、不锈钢(铝合金)外壳等组成。正负极板是电化学反应的区域,隔膜、电解质提供Li+的传输通道,极耳起到引导电流的作用。
电池充电时,Li+从三元锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极钛酸锂晶体的表面,然后嵌入负极钛酸锂尖晶石结构材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铝箔电极,再经导电体流到钛酸锂负极,使电荷达至平衡。
电池放电时,Li+从钛酸锂尖晶石结构材料中脱嵌,进入电解液,穿过隔膜,再经电解质迁移到三元锂晶体的表面，然后重新嵌入到三元锂材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铝箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导电体流到三元锂正极，使电荷达至平衡。
由此可见,钛酸锂电池基本原理,就是在充、放电的过程中,对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱,完成电池的充放电和向负载的供电。钛酸锂电池的充放电示意图如图所示。
电池充电时,正极失去电子,锂离子脱出,嵌入到负极中;负极嵌入锂离子的同时得到电子成为富锂态。放电时的过程正好相反。在Li+嵌入或脱嵌的反应过
程中,钛酸锂(Li
4Ti
5
O
12
)是一种理想的嵌入型电极材料,Li+插入和脱嵌对材料结
构几乎没有影响,因此被称作“零应变”材料,从而保证了其良好的循环性能。
钛酸锂存在两种不同相的分子结构——Li
7Ti
5
O
12
与Li
4
Ti
5
O
12
。产生Li
7
Ti
5
O
12
的晶体结构与Li
4Ti
5
O
12
的晶体结构均为尖晶石结构,且晶格常数变化很小,同时
体积变化也很小。能够避免充放电循环中电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏,从而提高电极的循环性能和使用寿命,减少了随循环次数的增加而带来容量的衰减,使钛酸锂具有优良的循环性能。[1]
钛酸锂电池的电化学反应方程式:
正极反应:LiNi
1/3Mn
1/3
Co
1/3
O
2
→Li
1-x
Ni
1/3
Mn
1/3
Co
1/3
O
2
+xLi++xe-
负极反应:Li
4Ti
5
O
12
+xLi++xe-→Li
4
+xTi
5
O
12
总化学反应方程式:
LiNi
1/3Mn
1/3
Co
1/3
O
2
+Li
4
Ti
5
O
12
→Li
1-x
Ni
1/3
Mn
1/3
Co
1/3
O
2
+Li
4
+xTi
5
O
12
钛酸锂电池优点：
钛酸锂电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封性能好、无泄露、无记忆效应、自放电率低、充放电迅速、循环寿命超长、工作环境温度范围宽、安全
稳定绿色环保等特点,所以在通信电源领域具有非常广泛的应用前景。
钛酸锂作为负极材料时电位平台高达1.55V，比传统石墨负极材料高出1V 还多，虽然损失了一些能量密度，但也意味着电池更加安全。技术专家卢蓝光曾表示，电池快速充电时对负极电压需求比较低，但如果过低，锂电池就容易析出非常活泼的金属锂，这种锂离子不仅导电，还能跟电解液起反应，然后释放热量，产生可燃气体，引发火灾。而钛酸锂因为高出来的1V电压避免了负极电压为0的情况，也就间接避免了锂离子的析出，从而保证了电池的安全性。
由于钛酸锂电池在高温、低温环境中均可以达到安全使用，也体现出其耐宽温（尤其耐低温）的重要优势。目前，银隆钛酸锂电池的安全工作温度区域在-50度到65度之间，而普通石墨类负极电池在温度低于-20度时能量就开始衰减，-30度时充电容量仅为充电总容量的14%，在严寒天气下根本无法正常工作。此外，由于钛酸锂电池即便过度充电，也仅有1%的体积变化，被称为零应变材料，这使其有着极长的寿命。银隆董事长魏银仓曾表示，银隆钛酸锂电池寿命可达30年，与汽车使用寿命相当，而普通石墨负极材料电池平均寿命不过3-4年。从全寿命周期看，钛酸锂电池成本更低。
钛酸锂的最后一个优势是快速充放电能力强，充电倍率高。目前银隆钛酸锂电池的充电倍率有10C、甚至20C，而普通石墨负极材料的电池充电倍率仅有2C-4C。基于钛酸锂电池的这些技术特点，业内人士认为其契合了新能源公交车、大型储能装备的需求。拿公交车来说，一般单趟里程不超过4公里，每次终点站进站等待到下次发车时间间隔至少需要几分钟时间。这时钛酸锂电池能量密度低的劣势不会影响客车的使用，反而体现出电池快充的好处。作为公共交通工具，公交车对电池的安全性、耐用性都提出了更高要求。[2]
钛酸锂电池存在问题以及不足之处：
虽然极佳的安全性能使得对钛酸锂离子电池的研究成为热点，但是Li
4Ti
5
O
12
材料本身的较低的电子电导率(10-13S/cm)和锂离子扩散系数(10-10~10-13cm2/S)极大地限制了在大倍率充放下的应用。有学者研究表明【3】，
将Li
4Ti
5
O
12
的颗粒尺寸纳米化以后可以扩大有效的反应面积和减小扩散距离，从