钛酸锂电池是什么？具有哪些特点

钛酸锂电池是采用钛酸锂作为负极材料的电池。钛酸锂材料是具有尖晶石结构的白色晶体。分子式为Li4Ti5O12。

制备钛酸锂的方法包括：固相反应法、水热法、溶胶凝胶法。

钛酸锂作为负极材料理论克容量为175mAh/g。   

1、钛酸锂负极的脱嵌锂机理：  

锂离子脱嵌过程中，尖晶石结构的钛酸锂（Li4Ti5O12）与岩盐结构的钛酸锂（Li7Ti5O12）相互转化，同时伴随Ti4+与Ti3+之间的转化。

反应方程式如下： Li4Ti5O12+3Li++3e-Li7Ti5O12  

充电时，锂离子嵌入到尖晶石结构的钛酸锂中，尖晶石结构的钛酸锂颗粒表面逐渐形成岩盐结构的钛酸锂层，嵌锂结束时，尖晶石结构的钛酸锂完全转化为岩盐结构的钛酸锂。  

放电时，锂离子从岩盐结构的钛酸锂中脱出，岩盐结构的钛酸锂表面逐渐被尖晶石结构的钛酸锂覆盖，最终完全转化为尖晶石结构的钛酸锂。

 

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》    

2、钛酸锂负极材料的优点  

（1）循环寿命高  

充放电过程中，晶胞参数在8.3595Å和8.3538Å之间变化（Å是长度单位，1Å=0.1nm）（个人理解：假设晶胞是正方体，因此晶胞参数只有一个值，表示边长），对应的晶胞体积变化为0.2%，晶胞体积变化小，钛酸锂因此也被称为“零应变”材料。  

钛酸锂因为体积变化小的特点使其具有高的结构稳定性，为良好的电池充放电循环性能提供了保障。  

有报道表示钛酸锂电池循环寿命超过30000次，65℃高温循环寿命在8000次左右。

 

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》  

（2）脱嵌锂平台电位较高，安全性能好   钛酸锂在脱嵌锂的过程中，不仅存在平坦的电位平台，而且具有比传统的碳负极材料更高的锂电位（假设金属锂的电位为0），钛酸锂的锂电位为1.55V。  

钛酸锂1.55V的锂电位导致钛酸锂表面不产生SEI膜（锂离子可以通过，电子不能通过的膜），使锂枝晶在钛酸锂表面难以生成，降低了锂枝晶在电路内部形成短路的可能性，提高了锂离子电池的安全性（含个人理解）。  



图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》    

3、钛酸锂负极材料的缺点  

（1）钛酸锂嵌锂电位过高，比容量（克容量）较低，相对其他类型的锂离子动力电池，能量密度低。能量密度低是因为钛酸锂材料性质决定，所以钛酸锂负极材料能量密度低的缺点难以有较大改善。  

（2）钛酸锂的电导率低，数值为10-13S·cm-1（石墨的电导率约为6.5S·cm-1，石墨烯的电导率为106S·cm-1），大电流放电极化比较严重，因而高倍率下性能不佳。  

（3）钛酸锂会与电解液发生化学反应生成气体，存在“胀气”现象，引起电池容量衰减，寿命缩短，安全性下降。高温条件下，“胀气”现象更严重。  



图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》    

4、针对钛酸锂负极材料缺点的改进方案  

（1）通过锂离子掺杂或碳包覆，改善钛酸锂的导电性。  

（2）通过纳米化结构设计，缩短离子扩散距离，提高倍率性能。  

（3）通过开发与钛酸锂负极相匹配的电解液，特别是加入添加剂，以促成钛酸锂表面形成致密的SEI膜，抑制副反应发生，进而降低气体的产生。    

5、总结  

目前，钛酸锂负极材料不属于主流负极体系，属于派生体系。目前钛酸锂电池在电动汽车领域主要应用于公交车和摆渡车，在储能领域的应用被视为具有好的前景。              

审核编辑：刘清