采用钛酸锂负极材料的高功率锂离子电池的研制
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(Li4Ti5O12)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（LiMn2O4）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；Li4Ti5O12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。
液相法制备锂离子电池用钛酸锂负极材料的研究进展_锂电中国
液相法制备锂离子电池用钛酸锂负极材料的研究进展
刘 君 ，盘 毅 ，郑 春 满
（国防科技大学航天与材料工程学院，长沙 ４１００７３）
摘要 钛酸锂（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）材料具有嵌锂过程中其晶型结构不发生改变的“零应变”特性，符合下一代锂 离 子 电 池循环寿命更长、充电过程更快、安全性更高 的 要 求。 详 细 综 述 了 溶 胶－凝 胶 法、水 热 合 成 法、直 接 熔 盐 法、原 位 水 解 法、溶液沉积法和共沉淀法等液相法制备 Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２负极 材 料 的 研 究 现 状 ，比 较 了 各 种 方 法 的 优 缺 点 ，结 合 笔 者 的 研 究 探 讨 了 Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２的 发 展 方 向 。
水热法反应制得的li4ti5o12微粒为纳米级较小的粒径有利于电子传输提高材料的电子传输能力空心球形结构使其具有较大的表面积从而使负极活性物质与液态电解液能够充分接触有利于液态电解液的穿透同时空心类球形结构有利于缩短锂离子的扩散路径提高锂离子的扩散能力增强其高倍率充放电性能循环性能也得到改善
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刘 君 ：男 ，１９８６ 年 生 ，硕 士 生 ，主 要 从 事 钛 酸 锂 负 极 材 料 的 制 备 与 改 性 研 究 盘 毅 ：男 ，１９６０ 年 生 ，副 教 授 ，从 事 电 极 材 料 研 究
液 相 法 制 备 锂 离 子 电 池 用 钛 酸 锂 负 极 材 料 的 研 究 进 展／刘 君 等
· １４５ ·
控 制 ，产 物 结 晶 良 好 。 １．１ 纯 相 钛 酸 锂 的 溶 胶 －凝 胶 法 合 成
Ｌｉ等［５］ 采 用 溶 胶－凝 胶 法 合 成 了 纳 米 级 Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ （１００ｎｍ），并对烧结工 艺 进 行 了 研 究。 杨 建 文 等 以 ［６］ 钛 无 机 盐和柠檬酸为原料，利用氨水调节体系ｐＨ 值，８０℃形成凝胶 前驱 体，分 析 表 明 前 驱 体 热 分 解 经 历 ４ 个 阶 段 形 成 Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２，当 烧 结 温 度 达 到 ８００℃ 时，Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２ 晶 型 生 长 完 全，材料充放电容量最 高。电 镜 照 片 （图 １）表 明 钛 酸 锂 粉 末 为 球 形 颗 粒 聚 集 而 成 的 多 孔 体 ，单 体 颗 粒 粒 径 约 为 １．０μｍ。
钛酸锂——新型锂离子电池负极材料
■ 文／程 少博 贾晓 林
郑州大学材料科 学与工程 学院
近 ２ 年来 ， ０ 随着 交通 、 通讯和信 息
嵌 锂 多 元 过 渡金 属 复 合 型 正 极 材 料 发展 迅速 ， 尤其 是层 状 嵌锂 三 元过 渡 金 属 协 同 的复 合 氧 化 物 镍 钻 锰 酸 锂 （ Ｎｉ ３ １Ｍｎ ／ ２与现在 占据市 Ｌｉ １ Ｃｏ／ １ Ｏ ） ／ ３ ３ 场 的Ｌｉ Ｏ 相 比 ， ＣＯ 具有 比容 量 高 、 价 格低、 环境 友 好 、 全性 高 等优 势 ， 安 是
理 论 比容 量 为 １５ ７ ｍＡｈ／ 生 成 的 ｇ， Ｌｉ Ｌｉ ） 晶 胞参 数ａ Ｔｉ ０ 的 （ ／ ／ 变化 很
／ ， 从 ０ ８６ Ｊ 仅 、 ．３ ｎｍｔ ￣加 到 ０ ８ ７ ．３ｎｍ。
池 ， 有能量 密度和 功率密度 高 、 作 具 工
电压高、 自放 电率低 、 无记 忆效 应、 循环 寿命 长、 无污 染等独 特优势 ， 迅速 发展 成一 种重要 的 电池类 型。 目前 ， 锂离 子 电池正 以惊人的速度 向前发展。 目前 ， 离 子 电池 正极 材 料 的研 锂
一
容量 的 ８ ％， 电结 束 时 电位 迅速 上 ５ 充 升， 此特性可用 于指示 终止充 电， 以 可
避免过充电， 因此Ｌｈ ： Ｔｉ 负极 的安 Ｏ。
Ｍ ． ａ ｅａ ￣ Ｇ ｎ ｓｎ ］ ８ 等用固相快速冷 却法 制
备 了纳米级Ｌｉ ２ 此法 将Ｔｉ 和 Ｏ１ ； Ｔｉ Ｏ２
体， 其结 构与尖 晶石 型Ｌ Ｍｎ０ 的结构 ｉ ２４
相 似 ， 间点 阵群 为Ｖ ３ 晶胞参 数ａ 空 ｄ ｍ， 为 ０８ ４ｍ。 摩 尔（ １的 钛 酸 锂 ． ６ｎ 每 ３ ｍｏ） ￣ ｉＬ。 ｉ３ ４ （ 式） 多只能 Ｌ （ ｉ３ ５） ］ 最简 ／ ／ｏ Ｔ 最 插入 ｌ ｌ （ｉ；ｉ ｉ３ ％ ） ４ ｍｏ的锂 Ｌ ）Ｌ （ ｌＴ ／ ｏ的子位于四面体 ８位 Ｏ ａ 置， 钛离子和剩余的锂 离子分布 于八 面
钛酸锂及其在锂离子动力电池中的应用
图 4 阿尔泰公司钛酸锂电池的预测循环性能曲线 在 2007 年 12 月 2～5 日举行的“EVS23”上，阿尔泰公司又公布了它们公司目前钛酸锂电池的性能，
结果如图 5 所示。可以看出，电池的循环性能、倍率放电性能以及低温放电性能都非常优异。
图 5 阿尔泰公司目前钛酸锂电池的性能曲线 美国 EnerDel 公司在 AABC-07 上展出了负极使用 Li4Ti5O12 的混合动力车锂离子充电电池，该电 池单元的特点是，正极使用安全性很好的 LiMn2O4 的同时，负极使用了安全性更高的 Li4Ti5O12，安全
能力达到月产电池单元 100 万块。
图 8 东芝的电池和高倍率循环性能曲线材料研发现状
虽然国内外很多的大专院校、科研院所以及公司企业都在进行钛酸锂的研究，但能提供样品的单位不 多。目前国内只有深圳的两家公司以及台湾的一家公司可以提供样品。这些公司的样品中，深圳 A 公司的 样品是经过包碳处理的，外观为黑色粉末；其余几家公司的样品为纯钛酸锂白色粉末。表 1 为各公司样品
ming years, Li4Ti5O12 battery most likely will be firstly applied in HEV.
Key words: lithium titanate, lithium-ion battery, traction battery, application
尖晶石钛酸锂及其在锂离子动力电池中的应用
摘要：作为一种新型锂离子电池负极材料，尖晶石钛酸锂（Li4Ti5O12）具有使用寿命长、安全性高和热 稳定性好等特点，因此被作为锂离子动力电池的负极材料而广泛研究。本文对 Li4Ti5O12 的研发现状及应 用情况做了介绍，并对 Li4Ti5O12 的研发应用方向做了展望，认为目前 Li4Ti5O12 的主要研究方向是提 高倍率性能，包覆碳是提高倍率性能的有效途径。应用方面，在未来几年 Li4Ti5O12 电池最有可能作为 H
锂电池负极材料钛酸锂的研究进展
锂电池负极材料钛酸锂的研究进展摘要：随着社会的快速发展，人们对能源的需求越来越大，而且非可再生资源也将越来越少。
只有不断地开发新的能源，才能满足更高的需求，才能让人们的社会得到更大的发展。
近年来，一种性能更好的新型电池被广泛应用于市场，这就是可充电、长寿命、高能量、清洁、无污染的可充电锂电池。
对于锂离子电池的负极，采用钛酸锂进行充放电时，其结构不会发生变化，也不会与电解液产生化学反应。
在安全、化学等方面，它优于其他的碳阴极材料。
文章对钛酸锂的基本概况进行了较为详尽的阐述，着重对它的制备、优缺点进行了简要的阐述。
关键词：钛酸锂；锂电池；研究；引言：随着现代社会的发展和现代工业的迅速发展，人们对能源的需求越来越大，时间一长，矿产资源将面临耗尽的危险。
在这种情况下，锂电池具有安全性好、电压高、寿命长、容量大等优点，可以有效地解决目前的能源问题，减少环境污染。
锂电池是由正、负、电解质三部分构成的。
所以，锂离子电池的负极材料是最好的，而合金材料则是最好的选择。
然而，无论是金属锂材料，还是合金材料，都无法保证锂电池的安全性。
1.锂离子电池发展概况锂离子电池是一种以锂二次电池为核心的高科技产品。
近30年来，我国的锂离子电池生产工艺已基本达到了一个较高的水平。
在国内的军用领域，锂离子电池已经发展到了三十多年的水平，但是在安全性上，我们还必须通过一些技术手段来解决。
我国是发展中国家，也是世界上最早实现锂离子电池工业发展和应用的国家。
经过近几年的发展，再加上我国的政策引导，地理位置优势，自然资源丰富，我国的锂离子电池发展势头迅猛。
锂离子电池产业结构和生产链不断完善、专业化、性能不断提高，并逐步与发达国家形成了鲜明的对比。
随着消费者对生活和工作的需求日益增长，我国的锂电池产业在今后的几年内将会保持快速的增长。
2.钛酸锂在锂离子电池应用中的一些基本情况锂离子电池具有高安全性、长寿命、便于携带等优点，在电子产品生产中占有举足轻重的位置。
钛酸锂作负极锂离子电池体系研究
ｏ ２ ＬＭｎＯ 与 ｉｅ Ｏ 的 （ ） ｉｏ＿ ｉ５ Ｍ ｎ ５Ｏ ，ｉ ２ ４ ＬＦ Ｐ ４ ２ ＬＣ Ｄ Ｎ ０ ５
． ．
Ｌ Ｔ 负极材 料是解 决方 向之一 ¨ ． ｉｉ Ｏ ］
电芯 制作 工艺 流 程 ： 物料 称量 一 制胶 一 物料 烘
烤与制 浆 一 涂 布一 分 切 、 烘烤一 极 片辊 压一 极 片终
检一 焊接一 刷极 片一 电芯卷 绕 、 压一 电芯 预封 一 平 电芯 烘干一 电芯 注液 、 边一 电芯 化成 一 抽 真空 封 封
边一 电芯 整形一 电芯分 容一 电芯检测 １２ 测试 方法 ．
Ｌ ｉ ｉ ５ 具有缺陷尖晶石结构 ， Ｔ Ｏ 锂在 Ｔ ｉ ２ Ｏ 晶格
中嵌人 、 脱出两相过程 的动力 学高度可逆 ， 嵌锂 电位为
１５～ ． （ｓ ｉ／ ｉ．在充放 电循环过程 中 ， ． １６Ｖ ｖ．Ｌ Ｌ） 晶胞
筛选 ： 石墨为负极 ， 不 同厂 家正极 材料做成 １Ａ 研究 ｈ
关 键 词 ： 酸 锂 ；锂 离子 电池 ；充放 电循 环 钛
中图 分 类 号 ：Ｍ １ ． Ｔ ９ ２９
文献标识码 ： Ａ
目前商品化锂离子 电池主要以石墨化碳材料为
负极 ．随 着便 携 式 电子 产 品更 小 、 轻 、 薄 ， 更 更 要求
电池更 高 比能量化 ， 别 是 汽车 动 力 电池 必 须具 有 特
文 章编 号 ：１０ ５ ６ （０９ ｓ ０ ８ — ３ ０ ０— ４ ３ ２０ ） ２— ０ １ ０
钛 酸 锂 作 负 极 锂 离 子 电 池 体 系研 究
Li4Ti5O12(钛酸锂)锂离子电池负极材料研究评述
姓名：张广川学号：201020181034 班级：sj1054Li4Ti5O12（钛酸锂）锂离子电池负极材料研究评述张广川(河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）摘要：介绍了锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的优点、晶体结构、嵌锂机理和电化学特性。
对Li4Ti5O12的固相法、sol-gel法以及其他各种制备方法进行了讨论，结合动力电池的关键性能，如安全性能、循环性能、倍率性能以及低温性能，详细介绍了Li4Ti5O12作为锂离子动力电池负极材料在这几个方面的研究现状，并结合自制LiCoO2/ Li4Ti5O12系列电池就上述关键性能进行了研究。
并对其的应用前景进行了展望。
关键词：锂离子电池；负极材料；Li4Ti5O12；倍率性能；低温性能Research progress in Li4Ti5O12as anode material for Li-ion battery Chris Zhang(Materials department of science and engineering，hebei university of technology，tianjin 300130)Abstract：The research status of advantage,crystal structure,mechanism of lithium inserting and electrochemical properties of lithium titanate (Li4Ti5O12) as anode material for Li-ion battery are reviewed. And solid-state method,sol-gel method,as well as various other preparation methods for Li4Ti5O12 are discussed.And,the advance of Li4Ti5O12 used as the anode material for lithium ion power batteries was reviewed in terms of safety, cycleability, rate capability and low temperature performance. Furthermore, the investigations of LiCoO2/ Li4Ti5O12 batteries series in our labs were also discussed in detail.Key words： Li-ion battery； anode material；Li4Ti5O12；rate capability； low temperature performance1 引言随着全球资源的日益短缺，人们开始开发新型能源代替传统能源。
东芝基于钛酸锂负极的SCiB锂电池
东芝基于钛酸锂负极的SCiB锂电池2016年，格力董明珠对珠海银隆的亲睐一下子让钛酸锂电池电池成为了舆论讨论的热点。
大肆的媒体报道宣传将钛酸锂电池捧上了天，不熟悉电池的人以为是一种新的电池种类，实际钛酸锂电池还是属于锂离子电池的范畴，只是负极材料使用了钛酸锂(Li4Ti5O12，Lithium titanate oxide，LTO)。
这类材料的一个特点就是结构稳定性很好，可以适用于长寿命、快充等领域，另外它与锂离子电池负极中常用的石墨材料相比，电位比较高，达到1.5V (vs. Li/Li+)，安全性相对较好，但是也造成了钛酸锂在全电池的电压相对偏低，只有2.3-2.5V 左右。
国内生产钛酸锂材料比较早的有银隆、微宏等。
其实早在10年前(2007年)，东芝就有了基于钛酸锂负极的锂离子电池问世，东芝给它取了一个特别的名字：超级充电离子电池(Super Charge ion Battery，SCiB)，它能在5分钟之内充满90%的能量！这里主要是通过SCiB电池的性能数据来说明钛酸锂锂离子电池的优缺点，给不了解该类电池的读者东芝的SCiB锂离子电池具有六大特点(图1)：1. 高全性高。
内部短路时产热较小2. 低温性能好。
可以在-30摄氏度使用3. 快充能力强。
最快甚至可以6分钟充电，相当于10C的充电倍率4. 寿命长。
循环寿命超过上万次5. 功率输出高。
瞬时大电流输出能力强，功率密度可与电容器相媲美6. 有效SOC窗口宽。
LTO在电压曲线十分平坦，在整个SOC范围内占据了85% 以上图1 SCiB锂离子电池的六大特点(单体电池的数据)东芝的SCiB单体电池包括了功率型电池2.9Ah、10Ah和能量型电池20Ah、23Ah(图2)。
其中，2.9Ah电池在35摄氏度下，SOC 范围20-80%的条件下，10C充电/10C放电的循环寿命高达40000次以上(图3)，10Ah电池在5C充电/5C放电条件下，循环20000次以后容量保持率还在90% 以上(图4)，20Ah电池在3C的充放电电流下，循环寿命可以保持在15000以上(容量保持率>80%，图5)。
锂离子电池负极材料钛酸锂的制备与研究
锂离子电池负极材料钛酸锂的制备与研究近年来，随着电动汽车、无人机等新兴应用的发展，大容量锂离子电池成为现代能源转换领域技术发展的方向之一。
其中，电池负极材料是构建电池的基础，其电化学性能决定了电池的最终性能。
钛酸锂作为高电导率高容量的锂离子电池负极材料，其实质是由金属钛与多个锂离子共存的产物。
作为负极材料，其能量密度为170 mAh/g，比其他通用负极材料要高出3~4倍，具有很高的应用价值。
钛酸锂电极材料的制备，主要分为三个步骤：一是以钛粉（经过磨细和清洗）为原料，采用熔盐法制备淡蓝色的Ti3+溶液；二是将此溶液进一步调配成1M的Ti3+电解液，其pH 值要维持在6.0-6.2的范围；三是在电解槽中加入锂离子，经静电煮沸2h及放电减压等处理后，Ti3+会转变成灰色TiO2和黑颜料TiO2。
除了上述方法外，还可以采用离子交换制备钛酸锂电极材料，一般选用BE-40、DOWEX-50W或DE60等离子交换树脂，根据质量比制备CO32--/ Ti3+的混合交换液，将溶液中的CO32-充分吸附在离子交换树脂上，然后从溶液中去除尽可能多的CO32-，最后用锂离子冲洗，使原本位于树脂内部的CO32-部分完全溶解，从而得到符合要求的钛酸锂。
研究发现，当钛酸锂电极材料中添加空穴掺杂体系后，电池性能得到极大改善，空穴掺杂体系可以提高电池的容量，在负极电池发生过充时也不会形成极晶结构，也可以有效抑制导电体的结构。
此外，使用常温的钛材料可以降低产能以及成型过程因温度控制而产生的额外耗能。
因此，钛酸锂电池负极材料的研究比较重要，目前也受到国际上越来越多的研究者的关注。
通过改进制备过程，优化添加物，以及提高生产工艺等，不断提高负极材料的性能与安全，未来的锂离子电池将具备更强的能量密度，为新兴应用提供支持。
锂离子电池负极材料钛酸锂的研究分析
电力电子Power Electronic电子技术与软件工程Electronic Tech n o l ogy&Software En g ineeri ng 锂离子电池负极材料钛酸锂的研究分析赵丰刚（宁德时代新能源科^｝支股份有限公司福建省宁德市352100）摘要：本文从阐述锂离子电池的发展情况出发，探讨了锂离子电池中对钛酸锂应用的情况，并对锂离子电池负极材料钛酸锂的研究内容进行了全面分析。
关键词：锂离子电池；负极材料；钛酸锂电极材料时锂离子电池研究过程中-项重要内容。
碳材料具有循环稳定性好、储量丰富，性价比高等优点，因此，其成为了商业锂离子电池中应用广泛的一种负极材料。
但是，其在具体应用期间存在一定缺点，锂离子电池重充放电时，锂离子会出现脱嵌现象，这会导致电极材料发生收缩和膨胀现象，长期以往会导致电极材料晶体出现坍塌事故，会降低电池容量。
此外，碳电极脱嵌锂可能会引起电池内部发生短路情况，因此，存在一定安全隐患问题。
可见，加强对锂离子电池负极材料的研究势在必行。
1锂离子电池发展情况过去的二十年的时间里，锂离子电池的生产技术经过漫长的发展，以及人们对其研究的深入，锂离子电池的生产技术已经十分成熟，锂离子电池很快的被应用到了军事方面，但是，针对锂离子电池安全方面，还需要采取相应措施对问题进行处理。
随着我国各项政策的颁布，以及人们对锂离子电池研究的不断深入，锂离子电池的生产链、主产结构都变得更加完善，专业化程度也得到了进一步提高。
现代锂离子电池随着信息技术的快速发展，不断朝着便携、高性能方向发展⑴。
同时，随着人们在主活、工作方面的需求，因此，人们对电子产品的需求也不断扩大，锂离子电池具有良好的发展前景⑵。
2锂离子电池中对钛酸锂应用的情况锂离子电池具有携带方便、寿命长、安全性高等优点，因此，在电子产品领域中占有非常重要的位置。
人们加强了电解质、隔膜、电极等各种辅助材料的研究，这也是研究锂离子电池必须经历的内容。
锂离子电池材料钛酸锂的研究进展
锂离子电池材料钛酸锂的研究进展
马勇;陈品德;秦龙威;文春鹏;夏鑫
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)1
【摘要】钛酸锂电池平坦的电位平台(1.55 V),能够更有效地防止SEI膜的形成以及锂枝晶的产生,对于便携式电子、新能源汽车、生态环境等应用领域都有着重要意义。
钛酸锂电池的固有离子电导率较低,因此提高钛酸锂的锂离子扩散系数是目前的主要研究方向。
综述了钛酸锂电池的结构特征以及合成方法对钛酸锂材料电化学性能的影响,通过不同掺杂离子和表面包覆改性,获得了一系列钛酸锂电池的比容量、循环性能和锂离子扩散系数。
其中铌的加入使其具有更高的锂离子扩散系数,包覆LMSO具有更高的容量保持率,有助于进一步提高钛酸锂电池的电化学性能。
【总页数】6页(P26-31)
【作者】马勇;陈品德;秦龙威;文春鹏;夏鑫
【作者单位】新疆大学纺织与服装学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM912
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一种锂离子电池用钛酸锂负极材料及其制备方法[发明专利]
![一种锂离子电池用钛酸锂负极材料及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e947f8c6af45b307e9719712.png)
专利名称：一种锂离子电池用钛酸锂负极材料及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：耿世达
申请号：CN201010280399.5
申请日：20100914
公开号：CN101944591A
公开日：
20110112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种锂离子电池用钛酸锂负极材料及其制备方法，该负极材料以锂源、钛源和碳源为原料，其中，Li∶Ti的摩尔比为(4.0～4.3)∶5，碳源的掺入量为锂源和钛源总质量的1～30％。
其制备方法为：1)按上述摩尔比和质量比分别称取锂源、钛源和碳源；2)将锂源和碳源溶解于溶剂，再将钛源溶解于相同溶剂中，将钛源溶液加入到锂源和碳源溶液中，搅拌和超声混合；3)加氨水，控制混合液pH值，搅拌加热，使溶剂和氨水挥发，成粘稠胶状物，再真空加热烘干，得到前躯体干凝胶；4)在惰性气体保护下，对前躯体干凝胶升温、焙烧，冷至室温后再粉碎、研磨；5)模压成模块；
6)在惰性气体保护下，对模块再次升温、焙烧，降至室温再粉碎、研磨、过筛、烘干，即得锂离子电池用钛酸锂负极材料。
申请人：耿世达
地址：116422 辽宁省大连市花园口经济区大连丽昌新材料有限公司
国籍：CN
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采用钛酸锂负极材料的高功率锂离子电池的研制
交通领域需要一种可高倍率放电、宽的温度工作范围、长寿命和安全的化学电源，但是现行的锂离子蓄电池的倍率性、安全性和循环寿命尚不能完全满足要求。
采用锰酸锂为正极材料，钛酸锂为负极材料，制成了32670/2000mAh的锂离子电池，该电池20C放电容量能够达到1.0C放电容量的94.56%，电池在-20℃的条件下5.0C放电能够放出相比25℃条件下容量的83.73%。
在60℃的条件下5C放电能够放出相比25℃条件下容量的103.11%，5C循环测试2000周后容量剩余率为92.50%，电池经过各项安全测试，显示了良好的安全性。
标签：Li4Ti5O12；锂离子电池；锰酸锂；高倍率
由于环境污染问题，新能源交通工具已经逐渐引起人们的重视，锂离子电池因其具有比能量高和自放电小等优势，而成为该领域的佼佼者。
以碳为负极材料的锂离子电池，经过实践验证，存在着大量问题，如长期循环、高功率及低温下使用后，电池性能下降等，而且在滥用状态下电解液会与嵌锂碳负极发生剧烈的化学反应，放出大量的热，造成电池爆炸时刻。
为克服这些缺点，研究应用Li4Ti5O12负极材料是解决方向之一。
锂钛复合氧化物Li4Ti5O12是一种金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，具有缺陷的尖晶石结构，是固溶体L1+xTi2-xO4（0≤x≤1/3）体系中的一员，立方体结构，空间群为Fd3m，具有锂离子的三维扩散通道。
但是钛酸锂具有充放电过程中骨架结构几乎不发生变化的“零应变”特性，嵌锂电位高（1.55Vvs.Li/Li+）而不易引起金属锂析出、库仑效率高、锂离子扩散系数（2×10-8cm2/s）比碳负极高一个数量级等优良特性，具备了下一代锂离子蓄电池必需的充电次数更多、充电过程更快、更安全的特性。
意大利的B.Scrosati教授和日本的T.Ohzuku教授分别提出了以钛酸锂为负极，尖晶石材料为正极的3V 锂离子蓄电池，而Altairnano和东芝公司分别开发了LiCoO2/Li4Ti5O12锂离子蓄电池并商业化。
而我国正式在此基础上，开发出圆柱形32670型电池，并对其各项性能进行了评价测试，其具有快速充放电、寿命长、工作温度范围宽等优势。
1 实验
1.1 电池制作
正极材料按照：m（锰酸锂（湖南瑞翔））：m（导电剂）：m（PVDF）=96：2：2的比例进行浆料配制，然后以20μm厚的铝箔作为集流体进行涂布及极片制作；负极材料分别按照：m（钛酸锂（贝特瑞））：m（导电剂）：m（PVDF）=90：6：4，然后同样以20μm厚的铝箔作为集流体进行涂布及极片制作；隔膜采用了40μm厚的日本NKK纸隔膜，电解液采用诺莱特TL-151型。
采用了卷绕工艺，制备出32670型样品电池，如图1所示。
1.2 实验测试
实验电池运用美国Arbin生产的充放电测试仪对电池进行化成。
化成制度采用0.2C电流充电到3.0V；再3.0V电压恒压充直到电流降低到100mA；然后用1.0C的放电倍率放电到1.5V，再用1C的电流进行一次充放电，并作为首次充放电数据，之后对电池进行1C充电，不同倍率放电，放电电流1C～20C；之后采用1C电流常温充电，使用5C电流在不同温度下进行放电；并进行1C和5C电流的充放电循环测试以及热箱、过充、短路等安全性能测试。
以上所有测试也均在Arbin充放电测试仪上完成。
2 结果与讨论
2.1 首次充放电曲线
图2为室温下2Ah电池的首次充放电曲线。
电池1C放电容量达2.02Ah，达到额定容量为2Ah的设计要求。
视此条件下的放电容量为标准值100%（其放电电压平台为2.45V左右），后面的电性能参数都以此放电容量为参照。
2.2 电池倍率放电测试
分别使用1C电流对电池进行充电，之后使用不同的电流进行放电，图3是所做电池以不同放电倍率进行放电的曲线。
从图3可看出，该种材料制作的电池具有平稳的放电平台和非常优异的大倍率放电性能，该电池在20C电流的情况下，放电容量依然能够达到1C放电容量的94.56%，因此能够满足快速放电的使用要求。
2.3 电池高低温条件下放电测试
在常温的使用1C电流进行充电，之后将电池放置到恒温箱中，使用5C电流进行放电。
图4是该电池不同温度条件下的恒电流放电曲线。
从图4可看出，电池即使在低温-20℃的条件下5C放电能够放出相比25℃条件下容量的83.73%，而在高温60℃的条件下5C放电能够放出相比25℃条件下容量的103.11%。
所以可推测该电池具有良好的大电流高低温放电性能，能够适应不同的温度环境条件应用。
2.4 电池循环测试
图5是该电池的1C和5C循环测试曲线，1C循环2000次后，剩余容量为初始容量的96.7%，5C循环2000次后，剩余容量达到初始容量的93.5%，可以看出，电池具有非常好的循环性能，在大电流下，也依然保持了较好的循环寿命。
这可能跟钛酸锂材料本身的结构有关，钛酸锂材料的离子扩散系数高，并且在锂离子的反复嵌入和脱嵌过程中，与碳电极的基本体相比，钛酸锂不易发生膨胀和收缩，影响体系的循环寿命。
钛酸锂Li4Ti5O12作为一种“零应变”材料，具有尖晶石结构。
在充放电过程中，锂离子的嵌入、脱嵌对Li4Ti5O12的结构影响很小，因此具有良好的循环性能。
2.5 电池安全测试
对电池进行了150℃热箱、5V过充、60℃短路、冲击测试，测试过程中均没有发生爆炸起火现象。
电池在过充测试时最高温度未超过60℃。
电池短路测试过程中和挤压测试过程中已经短路，但最高温度未超过90℃。
以上测试表明，该电池具有良好的安全性能。
3 结论
采用锰酸锂为正极材料，钛酸锂为负极材料制成32670/2000mAh圆柱形锂离子电池，该电池在电流20C的情况下，放电容量能够达到 1.0C放电容量的
97.30%，电池在低温-20℃的条件下0.5C放电能够放出相比25℃条件下容量的
98.72%，在高温65℃的条件下0.5C放电能够放出相比25℃条件下容量的97.83%，5.0C的大电流循环测试，电池经2000次的充放电循环后，容量剩余率为96.10%，电池各项安全测试过程中均未发生爆炸起火现象，电池在短路的情况下表面最高温度应保持在90℃以下。