锂离子电池钛酸锂材料的研究

锂离子电池钛酸锂材料的研究

吴军

斯坦德检测集团股份有限公司  山东青岛  266000

摘要：钛酸锂是一种新型工程材料，可作为高倍率锂离子电池的负极材料，和锰酸锂、镍钴锰等材料配合，提升电池低温性能与能量存储性能，可将电池容量保持率约为95%左右。本文主要分析了钛酸锂材料的基本特点与在锂离子电池中的应用方式，指出了钛酸锂电池材料的最新制备方法。

关键词：电池充能;锂离子电池;钛酸锂材料

前言：锂离子电池有着充放电速度快、电能容量大等优势，在电动汽车与便携式电子产品中获得广泛应用。现阶段常用语锂离子电池中的石墨负极在充放电循环过程中容易发生损坏与断裂，间接导致电容量下降，为提升电池性能，应借助钛酸锂材料重构负极配方，在控制电池整体温度的同时，维持充电容量。

一、钛酸锂材料的特性与结构分析

钛酸锂是一种无机化合物，分子式为Li4Ti5O12，具有尖晶石结构。钛酸锂是一种常用的锂离子电池负极材料，与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。钛酸锂电池具有高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，适用于新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池的优势在于其低温性能优越、极速充电能力强、大功率放电优异、零应变电池特性和优质的循环性能。钛酸锂电池在零下30度时仍能保持65%的充放电效率，充电时间只需3-5分钟，放电倍率可达5-100倍，循环寿命可达5000-50000次甚至更多。钛酸锂电池在储锂过程中体积变化极小，不会产生锂枝晶，因此安全性高。钛酸锂材料结构与性能密切相关。钛酸锂由Li-O反萤石结构层和Y-O盐岩石结构层与顶点共享的TiO6八面体层交替所构成（图1）。带正电的(YO)22+层和带负电的(Li2O2)2-层间会产生内电场，该内电场垂直于层状结构，会导致TiO6八面体发生偏转和位移，改变了Ti4+/Ti3+的氧化还原能量。钛酸锂在锂离子嵌入/脱嵌过程中会发生可逆的三阶段固溶转变，锂离子可沿钛酸锂中的二维通道快速迁移 [1]。

国内用于测试锰酸锂/钛酸锂电池化学性能的主要方法有恒流充放电法、循环伏安法、交流阻抗法等。这些方法可以有效地评价锰酸锂/钛酸锂电池的电容量、内阻、极化程度、电化学反应动力学等参数，为锰酸锂/钛酸锂电池的设计和优化提供依据。钛酸锂电池的化学性能测试是评价其性能和可靠性的重要手段，包括电化学测试：通过测量电池的开路电压、充放电曲线、循环伏安曲线、交流阻抗等参数，分析电池的电化学反应机理、极化特性、内阻变化等。热稳定性测试：通过测量电池在不同温度下的放电容量、内阻、温升等参数，评估电池的热安全性和热管理需求。环境适应性测试：通过模拟不同的环境条件，如温度、湿度、气氛、振动、冲击等，对电池进行加速老化试验，评估电池的寿命和可靠性。失效分析测试：通过对失效或退役的电池进行解剖、显微观察、成分分析等手段，探究电池失效的原因和机制，为优化设计和改善性能提供依据。

钛酸锂电池化学性能测试的评估方向主要有：1.电池容量：是指电池储存能量的大小，是衡量电池性能的基本指标。2.电池效率：电池在充放电过程中能量损耗的程度，是衡量电池性能的重要指标。3.电池寿命：可体现电池在循环使用中性能衰减的速度，是衡量电池可靠性的关键指标。4.电池安全性：反映了电池在正常或异常情况下是否会发生热失控、起火、爆炸等危险事件，是衡量电池安全性的核心指标。

二、钛酸锂材料在锂离子电池中的主要应用方式

（一）锰酸锂/钛酸锂电池

    锰酸锂/钛酸锂电池是指正极使用锰酸锂材料，负极使用钛酸锂材料的电池，标称电压在2.5~4.2V ，此类电池以 10 C 充电可在 5 min 内充入 80%的容量，30 C 放电可放出容量的 95%以上，且电池表面最高温度不超过 46 ℃。锰酸锂是一种高容量、低成本、环保的正极材料，但其循环寿命和安全性较差，容易发生热失控和结构崩塌。钛酸锂是一种高稳定、高安全、高功率的负极材料，其容量和能量密度较低，电池整体性能受限。锰酸锂/钛酸锂电池的优点是具有较高的容量、低成本、环保和高功率，适合用于大功率放电的场合，如电动汽车、储能系统等；缺点是循环寿命较短，需要频繁更换，而且安全性仍有待提高[2]。

（二）三元/钛酸锂电池

三元/钛酸锂电池是指正极使用三元材料（一般为镍钴锰或镍钴铝），负极使用钛酸锂材料的电池，标称电压在2.2~2.4V，具有低温性能优越、极速充电、大功率放电等优点，常用于军工、潜海、空间探索、极地设备等特殊环境和要求。三元材料是一种高能量密度、高容量、高工作电压的正极材料，但生产成本较高，且易发生热失控、氧化还原反应，影响安全性和循环寿命。钛酸锂则可提供稳定、安全的负极平台，提高电池整体性能。因此，三元/钛酸锂电池优点是有较高能量密度、容量和工作电压，适用于高能量需求场合，如智能手机、笔记本电脑等；缺点是成本较高，且循环寿命和安全性仍有改进空间。

三、钛酸锂电池的最新制备方法分析

（一）固相法

锂离子电池是一种高性能的储能器件，其负极材料的选择对电池的容量、循环寿命和安全性有重要影响。钛酸锂（Li4Ti5O12）是一种尖晶石型结构的无机化合物，具有优异的电化学性能，如高稳定的工作电压（1.5 V vs. Li+/Li），零溶液界面反应，无体积变化，高倍率充放电能力等，被广泛应用于锂离子电池负极材料。固相法是制备钛酸锂材料的常用方法，其原理是将锂源（如Li2CO3、LiOH）和钛源（如TiO2）按一定的摩尔比混合后，在高温下进行热处理，使其发生固相反应生成钛酸锂。这种方法具有操作简单、成本低、产量大等优点，适合于工业化生产。但是，固相法存在反应温度高（600-1000℃）、反应时间长（10-24 h）、粉体颗粒粗大（微米级）、分布不均匀等缺点，导致产物的结晶度、纯度和电化学性能较差 。为了改善固相法制备的钛酸锂材料的性能，可采用优化措施，如优化球磨工艺参数，控制煅烧温度和时间，添加助熔剂或掺杂剂等 。

（二）溶胶-凝胶法

    溶胶-凝胶法是一种湿化学技术，其原理是利用金属有机盐或金属有机物作为前驱体，在水或有机溶剂中形成溶胶，在适当条件下诱导凝胶化反应，得到凝胶体系，在低温下干燥去除溶剂，再在高温下煅烧去除有机物质，得到钛酸锂材料。这种方法具有前驱体易于均匀混合、反应温度低、反应时间短、粉体颗粒细小（纳米级）、分布均匀等优点，可制备出高纯度、高结晶度、高比表面积的钛酸锂材料 。但是，溶胶-凝胶法也存在一些缺点，如溶剂和有机物质的选择受限、成本较高、产量较低等 。

结论：锰酸锂/钛酸锂电池有着优异性能，可用于电动车电池与便携电子设备充电装置中，此类电池可保证100%充放电循环30000次以上电容量不变，平台电压稳定。技术人员应把握不同类型钛酸锂体系锂离子电池的功能与使用价值，重构电池负极结构，压缩材料成本，延长电池使用寿命。

参考文献：

[1]于昊.格力钛酸锂技术获专利金奖，推动新能源业务迈上新台阶[J].电器,2022(05):29.

[2]吴泽轶,周奇,文博,吴云胜,胡晓东,谢志勇.炭材料在锂离子电池负极材料钛酸锂中的应用[J].炭素技术,2020,39(06):6-13+25.