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钛酸锂简介

钛酸锂简介
    锂离子电池是一种可反复充电的蓄电池,由具有可重复?#24230;?span>/脱嵌锂离子的材料做正极与负极,多孔高分子薄膜作为隔离膜,并浸入含有锂盐的电解质溶液中构成一个基本电池单体(Cell)。多个单体通过串联或并联方式构成电池组(Battery),以提供满足需要的输出电压与电流。


其基本工作原理是:放电过程中,锂离子从负极材料中释放出来进入电解质溶液;电解质溶液中的锂离子在电场作用下迁移至正极,然后?#24230;?#27491;极材料内部。与此同时,负极材料失去的电子经由外电?#21453;?#36807;负载做功后到达正极。因此,放电过程中,在正极发生还原反应(阴极),在负极发生氧化反应(阳极)。充电过程需要在正负极间施加一个合适的电压,是放电过程的逆过程。


在锂离子电池中,负极材料与正极材料一样,都是对锂离子进行电化学储存的部分。锂离子电池通过锂离子在负极材料中可逆的?#24230;?#19982;脱嵌过程,实现电能的存储与释放。 


目前商业化的锂离子电池负极材料多采用各种碳材料,包括天然石墨、人造石墨、?#22266;俊?#20013;间相炭微球、热解碳材料等,锂离子存储容量理论上为200 – 372 mAh/g。由于碳电极具有?#31995;?#30340;放电平台(0.5V vs. Li/Li+)、容量高、充放电效率高等优点,?#28304;?span>1990年Sony公司开发碳材料作为负极的锂离子电池以来,碳材料性能不断改善,目前得到了广泛应用。然而,碳材料作为锂离子电池负极材料?#28304;?#22312;一些缺点:如嵌锂后电极的电位与锂金属的电位很接近(例如:石墨的电势小于0.1V vs. Li/Li+),在电池过充时,金属锂可能在碳电极表面析出而形成锂枝晶,从而引起短路;此外,大多数电解液在此低电位下不稳定,电解质容易在碳电极表面发生分解,产生可燃气体混合物,存在安全隐患;碳电极中锂离子的?#24230;?#23558;引起10%的体积膨?#20572;?#23548;致颗粒间不联系,引起电极/电解质及电极/汇流体界面的松散与剥落,严重缩短了电池的循环寿命。以上这些情况表明,碳负极材料的发展已经遇到瓶颈,很难取得进一步的突破,无法满足未来电池长寿命、高稳定性、安全环保的要求。因此,研究者们在逐渐认识到这一点后,纷纷开始了新型负极材料的开发。


钛酸锂的分子式为Li4Ti5O12,具有尖晶石结构,上世纪70年代被作为超导材料进行了大量研究。上世纪80年代末钛酸锂被作为锂离子电池正极材料进行研究,但因为其相对于金属锂的电位偏低而未能引起人们的广泛关注。直到1996年,加拿大研究者K. Zaghib首次提出可?#22278;?#29992;钛酸锂作为负极与高电压正极组成锂离子电池、与碳电极组成不对称超级电容器的概念。此后,一些日本学者也在相关领域开展了探索性工作,但针对钛酸锂作为锂离子二次电池负极材料的大规模研究?#35789;?#20110;上世纪末、本世?#32479;酢?span>


由于钛酸锂优异的电化学性能,许多研究者和公司致力于将其工业化。国际上在动力锂电池应用方面,目前已使用尖晶石(Spinel)结构之钛酸锂作为负极;钛酸锂材料结构稳定,充放电所导致的体积膨胀非常小,不到 0.2%,?#35789;?#21453;复充放电,晶体结构也不容易发生变化,因?#25628;?#29615;寿命极优。此外,钛酸锂电位为 1.5V (vs. Li),不会和电解液反应形成固态电介?#24335;?#38754;,电池内阻抗不会上升。并且由于阴极不会发生树枝状结晶 ,所以电池单元不会因发热而发生事故,适合大电流快速充电,可作为高功率快速充放电锂离子电池的负极材料。新时代快速充放电锂离子电池除了可作为 3C 可携式电子产品之电源外,未来更可作为电动车、混成动力车、电动工具、电动自行车、电动机车及机器人之动力来源,极具市场潜力。从目前现有的钛酸锂材料技术水平来看,多集中于颗粒纳米化与碳包裹的研究,以期提高倍率性能。然而,从根本上提高材料电子传导性能的体相掺杂,以及面向产业化应用需求的结构形?#37096;?#21046;、加工性能的改进等,近年来才逐渐被人们所意识到,而这也正是本公司的重点。

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