鈦酸鋰稱為“零應(yīng)變材料”,鋰電池負(fù)極材料鈦酸鋰的研究應(yīng)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(yīng)變材料”，鋰電池負(fù)極材料鈦酸鋰的研究應(yīng)用。在目前的鋰離子電池行業(yè)，石墨類負(fù)極材料仍然占據(jù)鋰電負(fù)極材料的主流地位。但近年新型負(fù)極材料等的研究與應(yīng)用也開始受到業(yè)內(nèi)關(guān)注，鈦酸鋰新型負(fù)極材料是一個非常重要的方向。鈦酸鋰具有一些其它負(fù)極材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，作為動力鋰離子電池的負(fù)極材料，有著巨大的研究價值和商業(yè)應(yīng)用潛力。

鈦酸鋰稱為“零應(yīng)變材料”，鋰電池負(fù)極材料鈦酸鋰的研究應(yīng)用

鈦酸鋰這種尖晶石結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，因?yàn)殁佀徜嚨木徒Y(jié)構(gòu)幾乎沒有發(fā)生變化，a值僅從0.836nm增大到0.837nm。這種現(xiàn)象被稱為“零應(yīng)變”，因此鈦酸鋰也被稱為“零應(yīng)變材料”。

這種性質(zhì)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)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(fù)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(yuǎn)高于石墨的熱力學(xué)穩(wěn)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(yōu)異的低溫性能，快速充電能力，較高的性價比，因而在大規(guī)模儲能等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

限制鈦酸鋰規(guī)模化應(yīng)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(dǎo)率分別為10－13S.cm－1和10－9-10－13cm2.s－1，電子在鈦酸鋰中發(fā)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(fù)極的鋰離子電池在充放電循環(huán)和存儲過程中，普遍存在“脹氣”現(xiàn)象，即電池內(nèi)部不斷產(chǎn)生氣體，特別是在高溫條件下，脹氣更為嚴(yán)重。

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

隨著對鈦酸鋰負(fù)極基礎(chǔ)研究的不斷深入，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池已逐漸開始實(shí)用化。經(jīng)過碳材料修飾改進(jìn)后的鈦酸鋰，因具有更加優(yōu)異的倍率特性和表面化學(xué)特性，加之其固有的低溫性能、超高的循環(huán)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(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用。

除了在安全、壽命方面的優(yōu)勢外，充電速度也是大規(guī)模儲能比拼的重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示同等容量傳統(tǒng)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(rèn)為具有極強(qiáng)的調(diào)峰價值。鈦酸鋰的高倍率性能能夠提供3C配置系統(tǒng)，為用戶提供一個最小規(guī)模的高倍率系統(tǒng)完成調(diào)頻等輔助服務(wù)，瞬間提供大倍率的輸入/輸出。

鈦酸鋰高穩(wěn)定性和長壽命周期，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋰離子電池，使得其在儲能的應(yīng)用場景具有獨(dú)特的優(yōu)勢，非常適合用于大型儲能，被業(yè)界稱為“最具應(yīng)用前景的儲能電池之一”。

目前鈦酸鋰的主要問題表現(xiàn)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(yōu)勢，隨著充電設(shè)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(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，推動鈦酸鋰動力鋰電池技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展及廣泛應(yīng)用需要各方的努力。