一文认识锂电池负极材料钛酸锂
2020-12-18 17:41:45
目前，在国家大力倡导开发新能源及其相关产业的大环境下，钛酸锂以其优异的安全性、超长循环性能、快速充放电和超宽的高/低温性能，成为新型锂离子电池的负极材料研究热点，其应用前景也不断拓展。
一、钛酸锂概述
钛酸锂（Li4Ti5O12）是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，可被描述成尖晶石固溶体。Li4Ti5O12最大的特点就是其“零应变性”。
钛酸锂粉体及其SEM图片
所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于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，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。
钛酸锂作为锂电池负极材料的优缺点：
二、钛酸锂制备方法
目前，钛酸锂制备方法主要有固相反应法、溶胶-凝胶法及水热离子交换合成法等。选择不同的制备方法会导致钛酸锂粉体不同的晶体形貌，从而影响其电化学性能。所以合成方法的选择与钛酸锂电池的电化学性能之间有着密切的联系。
三、钛酸锂改性方法
钛酸锂作为锂电池负极材料存在本征电子导电能力偏低的缺点，影响了负极在放电状态时的导电率。通过表面包覆或掺杂等方法能提高电极的表面电导率，从而加快传荷反应速率可使电池的倍率性能的增强。目前包覆或掺杂等方法主要有碳掺杂包覆和金属元素掺杂。
1、碳掺杂包覆
碳包覆就是含碳添加物热分解，从而在颗粒表面分散或包覆导电碳，以充当导电桥的改性方法。碳源主要包括天然石墨、复合碳、乙炔黑和各种含碳多羟基有机化合物。碳包覆不仅能提高钛酸锂材料的电导率，它还能够有效地防止颗粒间的团聚，降低接触内阻，提高电池的倍率性能。
碳包覆钛酸锂粉体颗粒SEM图片
2、金属元素掺杂
钛酸锂改进行金属掺杂的主要目的是：降低它的电极电位，提高电池比能量；提高材料的导电性，降低电阻和极化。对于低电导率的电极活性材料，要提高其导电性能，掺杂是较有效的方法。掺杂元素主要有Ag+、Zr2+、Cu2+、Mg2+、Al3+、Zr4+、F- 等及其复合掺杂。
（1）Ag+掺杂钛酸锂，有助于提高钛酸锂电池的容量和循环性，掺杂量为3%wt效果最佳。
（2）Zr2+掺杂钛酸锂，高倍率下首次循环容量和循环性显著提升。
（3）Cu2+掺杂钛酸锂，显著改善钛酸锂电池的高倍率循环性能。
Ag+掺杂钛酸锂粉体SEM图片 Zr2+掺杂钛酸锂粉体SEM图片
Cu2+掺杂钛酸锂粉体SEM图片
四、钛酸锂电池应用
1、便携式电动工具、储能电源；
2、汽车应急启动电源、电池模块、储能基站电源；
3、太阳能光电产品、LED照明；
4、替代超级电容、存储电源。
五、国内外钛酸锂电池相关产业
1、钛酸锂材料
国际上对钛酸锂材料研究及产业化方面比较领先的有美国奥钛纳米科技公司、日本石原产业株式会社、英国庄信万丰公司等。其中美国奥钛生产的钛酸锂材料无论在倍率、安全性、长寿命及高低温等方面性能优异。国内在钛酸锂材料量产方面已有多家，如四川兴能、珠海银隆、湖州微宏、深圳贝特瑞、湖南杉杉等企业。
2、钛酸锂电池
国际上能够批量生产钛酸锂电池的厂家并不多，主要以美国奥钛纳米技术公司与日本东芝集团为代表。钛酸锂电池的应用市场主要有电动车(巴士、轨道交通等)、储能市场(调频、电网质量、风场等)及工业应用(港口机械、叉车等)。目前，国内在钛酸锂电池生产方面已有多家，如湖州微宏、珠海银隆、天津捷威、四川兴能、中信国安盟固利、湖南杉杉等。
：李波涛
参考文献：
1、华兰，杨晓燕，康石林等. 掺杂Li4Ti5O12作为锂离子蓄电池负极材料[J]. 电池。
2、杨建华，钟晖，钟海云等. Li4Ti5O12的合成及影响因素[J]. 中南大学学报。
3、唐致远，阳晓霞等. 钛酸锂电极材料的研究进展[J]. 电源技术。