鈦酸鋰稱為“零應變材料”,鋰電池負極材料鈦酸鋰的研究應用

來源：存能電氣  日期：2020-01-14 14:48  瀏覽量：次

鈦酸鋰稱為“零應變材料”，鋰電池負極材料鈦酸鋰的研究應用。在目前的鋰離子電池行業，石墨類負極材料仍然占據鋰電負極材料的主流地位。但近年新型負極材料等的研究與應用也開始受到業內關注，鈦酸鋰新型負極材料是一個非常重要的方向。鈦酸鋰具有一些其它負極材料無可比擬的優點，作為動力鋰離子電池的負極材料，有著巨大的研究價值和商業應用潛力。

鈦酸鋰稱為“零應變材料”，鋰電池負極材料鈦酸鋰的研究應用

鈦酸鋰這種尖晶石結構對鋰離子有一定的容納空間，通俗來說一個鈦酸鋰能容納3個鋰離子。充放電時的鋰離子嵌入和脫嵌對鈦酸鋰材料的結構幾乎沒有影響，因為鈦酸鋰的晶型結構幾乎沒有發生變化，a值僅從0.836nm增大到0.837nm。這種現象被稱為“零應變”，因此鈦酸鋰也被稱為“零應變材料”。

這種性質對電極材料來說具有重要的作用，能夠避免充放電過程中由于材料的伸縮變化而導致結構發生變化，從而提高電極的性能和減少比容量的大幅度衰減，延長了鋰電池的使用壽命。

與石墨負極相比，鈦酸鋰具有更高的嵌鋰電位，可有效避免金屬鋰的析出和鋰枝晶的形成。鈦酸鋰具有遠高于石墨的熱力學穩定性，不易引起電池的熱失控，從而具有更高的安全性。此外鈦酸鋰還具有優異的低溫性能，快速充電能力，較高的性價比，因而在大規模儲能等領域具有較好的應用前景。

限制鈦酸鋰規模化應用的主要因素源于材料和器件兩個方面:

①鈦酸鋰的電子和離子電導率分別為10－13S.cm－1和10－9-10－13cm2.s－1，電子在鈦酸鋰中發生躍遷的能隙約為2eV，材料本征的絕緣屬性極大限制了其在大電流充放電條件下的倍率性能。

②以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池在充放電循環和存儲過程中，普遍存在“脹氣”現象，即電池內部不斷產生氣體，特別是在高溫條件下，脹氣更為嚴重。

鈦酸鋰是目前公認的最具應用前景的鋰離子電池負極材料之一，但由于材料的本征電子電導率偏低，使其難以發揮出較高的倍率性能，此外鈦酸鋰與電解液之間易發生界面副反應，使以鈦酸鋰為負極的鋰電池易出現脹氣問題，令鈦酸鋰的商業化應用受到阻礙。

隨著對鈦酸鋰負極基礎研究的不斷深入，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池已逐漸開始實用化。經過碳材料修飾改進后的鈦酸鋰，因具有更加優異的倍率特性和表面化學特性，加之其固有的低溫性能、超高的循環壽命及安全性，未來將在混合動力汽車、柔性電子器件及大型儲能領域進一步擴大其應用。

除了在安全、壽命方面的優勢外，充電速度也是大規模儲能比拼的重要指標。數據顯示同等容量傳統鋰電池需要充電2-4小時，而鈦酸鋰電池僅需要6分鐘，這被認為具有極強的調峰價值。鈦酸鋰的高倍率性能能夠提供3C配置系統，為用戶提供一個最小規模的高倍率系統完成調頻等輔助服務，瞬間提供大倍率的輸入/輸出。

鈦酸鋰高穩定性和長壽命周期，性能顯著優于傳統的鋰離子電池，使得其在儲能的應用場景具有獨特的優勢，非常適合用于大型儲能，被業界稱為“最具應用前景的儲能電池之一”。

目前鈦酸鋰的主要問題表現在倍率性能較差和能量密度不夠，但鈦酸鋰電池具有快充的優勢，隨著充電設施的大面積覆蓋，裝有鈦酸鋰電池的電動車能隨時隨地充電，對鈦酸鋰電池能量密度的要求會有所降低。在當前新能源汽車產業蓬勃發展的環境下，推動鈦酸鋰動力鋰電池技術進一步發展及廣泛應用需要各方的努力。