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钛酸锂称为“零应变材料”,锂电池负极材料钛酸锂的研究应用
钛酸锂称为“零应变材料”,锂电池负极材料钛酸锂的研究应用
  • 发布时间:2020-03-19 16:45

钛酸锂称为“零应变材料”,锂电池负极材料钛酸锂的研究应用

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钛酸锂称为“零应变材料”,锂电池负极材料钛酸锂的研究应用。在目前的锂离子电池行业,石墨类负极材料仍然占据锂电负极材料的主流地位。但近年新型负极材料等的研究与应用也开始受到业内关注,钛酸锂新型负极材料是一个非常重要的方向。钛酸锂具有一些其它负极材料无可比拟的优点,作为动力锂离子电池的负极材料,有着巨大的研究价值和商业应用潜力。
 
钛酸锂称为“零应变材料”,锂电池负极材料钛酸锂的研究应用
 

 
 
钛酸锂这种尖晶石结构对锂离子有一定的容纳空间,通俗来说一个钛酸锂能容纳3个锂离子。充放电时的锂离子嵌入和脱嵌对钛酸锂材料的结构几乎没有影响,因为钛酸锂的晶型结构几乎没有发生变化,a值仅从0.836nm增大到0.837nm。这种现象被称为“零应变”,因此钛酸锂也被称为“零应变材料”。
 
这种性质对电极材料来说具有重要的作用,能够避免充放电过程中由于材料的伸缩变化而导致结构发生变化,从而提高电极的性能和减少比容量的大幅度衰减,延长了锂电池的使用寿命。
 
与石墨负极相比,钛酸锂具有更高的嵌锂电位,可有效避免金属锂的析出和锂枝晶的形成。钛酸锂具有远高于石墨的热力学稳定性,不易引起电池的热失控,从而具有更高的安全性。此外钛酸锂还具有优异的低温性能,快速充电能力,较高的性价比,因而在大规模储能等领域具有较好的应用前景。
 
限制钛酸锂规模化应用的主要因素源于材料和器件两个方面:
①钛酸锂的电子和离子电导率分别为10-13S.cm-1和10-9-10-13cm2.s-1,电子在钛酸锂中发生跃迁的能隙约为2eV,材料本征的绝缘属性极大限制了其在大电流充放电条件下的倍率性能。
 
②以钛酸锂为负极的锂离子电池在充放电循环和存储过程中,普遍存在“胀气”现象,即电池内部不断产生气体,特别是在高温条件下,胀气更为严重。
 
钛酸锂是目前公认的最具应用前景的锂离子电池负极材料之一,但由于材料的本征电子电导率偏低,使其难以发挥出较高的倍率性能,此外钛酸锂与电解液之间易发生界面副反应,使以钛酸锂为负极的锂电池易出现胀气问题,令钛酸锂的商业化应用受到阻碍。
 
随着对钛酸锂负极基础研究的不断深入,以钛酸锂为负极的锂离子电池已逐渐开始实用化。经过碳材料修饰改进后的钛酸锂,因具有更加优异的倍率特性和表面化学特性,加之其固有的低温性能、超高的循环寿命及安全性,未来将在混合动力汽车、柔性电子器件及大型储能领域进一步扩大其应用。
 
除了在安全、寿命方面的优势外,充电速度也是大规模储能比拼的重要指标。数据显示同等容量传统锂电池需要充电2-4小时,而钛酸锂电池仅需要6分钟,这被认为具有极强的调峰价值。钛酸锂的高倍率性能能够提供3C配置系统,为用户提供一个最小规模的高倍率系统完成调频等辅助服务,瞬间提供大倍率的输入/输出。
 
钛酸锂高稳定性和长寿命周期,性能显著优于传统的锂离子电池,使得其在储能的应用场景具有独特的优势,非常适合用于大型储能,被业界称为“最具应用前景的储能电池之一”。
 
目前钛酸锂的主要问题表现在倍率性能较差和能量密度不够,但钛酸锂电池具有快充的优势,随着充电设施的大面积覆盖,装有钛酸锂电池的电动车能随时随地充电,对钛酸锂电池能量密度的要求会有所降低。在当前新能源汽车产业蓬勃发展的环境下,推动钛酸锂动力锂电池技术进一步发展及广泛应用需要各方的努力。
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