鈦酸鋰電池原理

鈦酸鋰電池由正、負(fù)極板（正極活性物質(zhì)為三元鋰，負(fù)極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道，極耳起到引導(dǎo)電流的作用。

電池充電時，Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負(fù)極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箔，經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的鋁箔電極，再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負(fù)極，使電荷達(dá)至平衡。

電池放電時，Li+從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解質(zhì)遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到三元鋰正極，使電荷達(dá)至平衡。

由此可見，鈦酸鋰電池基本原理，就是在充、放電的過程中，對應(yīng)的鋰離子在正負(fù)極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負(fù)載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖所示。

電池充電時，正極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負(fù)極中;負(fù)極嵌入鋰離子的同時得到電子成為富鋰態(tài)。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)過程中，鈦酸鋰（Li4TI5O12）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對材料結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，因此被稱作“零應(yīng)變”材料，從而保證了其良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)——Li7TI5O12與Li4TI5O12。產(chǎn)生Li7TI5O12的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu)，且晶格常數(shù)變化很小，同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來容量的衰減，使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

鈦酸鋰電池的結(jié)構(gòu)組成

正極：磷酸鐵鋰、錳酸鋰或三元材料、鎳錳酸鋰。

負(fù)極：鈦酸鋰材料。

隔膜：以碳作負(fù)極的鋰電池隔膜。

電解液：以碳作負(fù)極的鋰電池電解液。

電池殼：以碳作負(fù)極的鋰電池殼。

鈦酸鋰電池優(yōu)點

鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點，所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

鈦酸鋰作為負(fù)極材料時電位平臺高達(dá)1.55V，比傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料高出1V還多，雖然損失了一些能量密度，但也意味著電池更加安全。技術(shù)專家盧藍(lán)光曾表示，電池快速充電時對負(fù)極電壓需求比較低，但如果過低，鋰電池就容易析出非?；顫姷慕饘黉?，這種鋰離子不僅導(dǎo)電，還能跟電解液起反應(yīng)，然后釋放熱量，產(chǎn)生可燃?xì)怏w，引發(fā)火災(zāi)。而鈦酸鋰因為高出來的1V電壓避免了負(fù)極電壓為0的情況，也就間接避免了鋰離子的析出，從而保證了電池的安全性。

由于鈦酸鋰電池在高溫、低溫環(huán)境中均可以達(dá)到安全使用，也體現(xiàn)出其耐寬溫（尤其耐低溫）的重要優(yōu)勢。目前，銀隆鈦酸鋰電池的安全工作溫度區(qū)域在-50度到65度之間，而普通石墨類負(fù)極電池在溫度低于-20度時能量就開始衰減，-30度時充電容量僅為充電總?cè)萘康?4%，在嚴(yán)寒天氣下根本無法正常工作。此外，由于鈦酸鋰電池即便過度充電，也僅有1%的體積變化，被稱為零應(yīng)變材料，這使其有著極長的壽命。銀隆董事長魏銀倉曾表示，銀隆鈦酸鋰電池壽命可達(dá)30年，與汽車使用壽命相當(dāng)，而普通石墨負(fù)極材料電池平均壽命不過3-4年。從全壽命周期看，鈦酸鋰電池成本更低。

鈦酸鋰的最后一個優(yōu)勢是快速充放電能力強，充電倍率高。目前銀隆鈦酸鋰電池的充電倍率有10C、甚至20C，而普通石墨負(fù)極材料的電池充電倍率僅有2C-4C。基于鈦酸鋰電池的這些技術(shù)特點，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為其契合了新能源公交車、大型儲能裝備的需求。

鈦酸鋰電池缺點

然極佳的安全性能使得對鈦酸鋰離子電池的研究成為熱點，但是Li4Ti5O12材料本身的較低的電子電導(dǎo)率（10-13S/cm）和鋰離子擴散系數(shù)（10-10~10-13cm2/S）極大地限制了在大倍率充放下的應(yīng)用。有學(xué)者研究表明，將Li4Ti5O12的顆粒尺寸納米化以后可以擴大有效的反應(yīng)面積和減小擴散距離，從而顯著的提升材料的倍率性能。但是需要指出的是，材料顆粒納米化的過程往往比較困難，需要較高的成本，目前難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

鈦酸鋰電池在循環(huán)使用中會發(fā)生持續(xù)產(chǎn)氣，導(dǎo)致電池包鼓脹，高溫時尤其嚴(yán)重，影響正負(fù)極的接觸，增加電池阻抗，影響電池性能的發(fā)揮。這也是限制負(fù)極材料鈦酸鋰廣泛應(yīng)用到電池中的主要障礙之一。