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鈦酸鋰簡介

鈦酸鋰簡介
    鋰離子電池是一種可反復充電的蓄電池,由具有可重復嵌入/脫嵌鋰離子的材料做正極與負極,多孔高分子薄膜作為隔離膜,并浸入含有鋰鹽的電解質溶液中構成一個基本電池單體(Cell)。多個單體通過串聯或并聯方式構成電池組(Battery),以提供滿足需要的輸出電壓與電流。


其基本工作原理是:放電過程中,鋰離子從負極材料中釋放出來進入電解質溶液;電解質溶液中的鋰離子在電場作用下遷移至正極,然后嵌入正極材料內部。與此同時,負極材料失去的電子經由外電路穿過負載做功后到達正極。因此,放電過程中,在正極發生還原反應(陰極),在負極發生氧化反應(陽極)。充電過程需要在正負極間施加一個合適的電壓,是放電過程的逆過程。


在鋰離子電池中,負極材料與正極材料一樣,都是對鋰離子進行電化學儲存的部分。鋰離子電池通過鋰離子在負極材料中可逆的嵌入與脫嵌過程,實現電能的存儲與釋放。 


目前商業化的鋰離子電池負極材料多采用各種碳材料,包括天然石墨、人造石墨、焦炭、中間相炭微球、熱解碳材料等,鋰離子存儲容量理論上為200 – 372 mAh/g。由于碳電極具有較低的放電平臺(0.5V vs. Li/Li+)、容量高、充放電效率高等優點,自從1990Sony公司開發碳材料作為負極的鋰離子電池以來,碳材料性能不斷改善,目前得到了廣泛應用。然而,碳材料作為鋰離子電池負極材料仍存在一些缺點:如嵌鋰后電極的電位與鋰金屬的電位很接近(例如:石墨的電勢小于0.1V vs. Li/Li+),在電池過充時,金屬鋰可能在碳電極表面析出而形成鋰枝晶,從而引起短路;此外,大多數電解液在此低電位下不穩定,電解質容易在碳電極表面發生分解,產生可燃氣體混合物,存在安全隱患;碳電極中鋰離子的嵌入將引起10%的體積膨脹,導致顆粒間不聯系,引起電極/電解質及電極/匯流體界面的松散與剝落,嚴重縮短了電池的循環壽命。以上這些情況表明,碳負極材料的發展已經遇到瓶頸,很難取得進一步的突破,無法滿足未來電池長壽命、高穩定性、安全環保的要求。因此,研究者們在逐漸認識到這一點后,紛紛開始了新型負極材料的開發。


鈦酸鋰的分子式為Li4Ti5O12,具有尖晶石結構,上世紀70年代被作為超導材料進行了大量研究。上世紀80年代末鈦酸鋰被作為鋰離子電池正極材料進行研究,但因為其相對于金屬鋰的電位偏低而未能引起人們的廣泛關注。直到1996年,加拿大研究者K. Zaghib首次提出可以采用鈦酸鋰作為負極與高電壓正極組成鋰離子電池、與碳電極組成不對稱超級電容器的概念。此后,一些日本學者也在相關領域開展了探索性工作,但針對鈦酸鋰作為鋰離子二次電池負極材料的大規模研究卻始于上世紀末、本世紀初。


由于鈦酸鋰優異的電化學性能,許多研究者和公司致力于將其工業化。國際上在動力鋰電池應用方面,目前已使用尖晶石(Spinel)結構之鈦酸鋰作為負極;鈦酸鋰材料結構穩定,充放電所導致的體積膨脹非常小,不到 0.2%,即使反復充放電,晶體結構也不容易發生變化,因此循環壽命極優。此外,鈦酸鋰電位為 1.5V (vs. Li),不會和電解液反應形成固態電介質界面,電池內阻抗不會上升。并且由于陰極不會發生樹枝狀結晶 ,所以電池單元不會因發熱而發生事故,適合大電流快速充電,可作為高功率快速充放電鋰離子電池的負極材料。新時代快速充放電鋰離子電池除了可作為 3C 可攜式電子產品之電源外,未來更可作為電動車、混成動力車、電動工具、電動自行車、電動機車及機器人之動力來源,極具市場潛力。從目前現有的鈦酸鋰材料技術水平來看,多集中于顆粒納米化與碳包裹的研究,以期提高倍率性能。然而,從根本上提高材料電子傳導性能的體相摻雜,以及面向產業化應用需求的結構形貌控制、加工性能的改進等,近年來才逐漸被人們所意識到,而這也正是本公司的重點。

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