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钛酸锂与石墨在锂离子动力电池中性质参数比较

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供稿:中国工控网 2016/6/15 15:43:25

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  • 关键词: 锂离子动力电池
  • 摘要:动力电池的理想负极材料应具备以下几个性质:高充放电效率和循环寿命;高结构稳定性、化学稳定性和热稳定性;高比容量,安全性好;资源丰富,价格低廉,制备相对简单且不会对环境造成污染等。

碳基材料(石墨)锂离子动力电池

  目前的锂离子电池负极材料的研究主要集中在碳基材料上。其中碳电极在电池反应过程中进行嵌锂后的电位接近金属锂的电位,一旦电池在过充时,碳电极的表面就容易析出金属锂。产生的金属锂会跟电解液接触反应产生可燃性气体,给动力电池带来相当大的安全隐患。另外,石墨材料负电极存在与电解液的共嵌入问题,对电解液敏感高,稳定性有限导致电极的循环稳定性受到影响。合金类负极材料与碳负极材料相比具有较高的比容量,在充放电过程中锂的反复嵌脱会使合金类负极的体积发生较大变化导致循环性能变差。石墨类与钛酸锂负极材料的一些性质参数如下表所示。

 

钛酸锂离子动力电池

  钛酸锂,Li4Ti5O12,面心立方尖晶石结构。常用的化合物分子式为AM2O4,空间群为Fd3m,晶胞参数a=0.836nm。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,延长了电池的使用寿命。

钛酸锂与碳基材料(石墨)在锂离子动力电池中体现性质比较

钛酸锂的化学扩散系数(一般为2×10-200px2/s)要比碳负极材料的扩散系数大—个数量级,高扩散系数意味着钛酸锂要比其他的碳负极材料具备更快和更多的循环充放电能力。但钛酸锂本身并不能提供锂源,因此只能与含有锂的电极材料进行搭配。钛酸锂作为正极时,负极只能是金属锂或锂合金,此时电池的电压约为1.5V左右。钛酸锂作为负极和LiCoO2、LiMn2O4等正极材料可组成电压为3V上下的电池。尽管钛酸锂可以作为负极也可以作正极使用,但由于相对Li+/Li的电位为1.5V,因此作为正极材料进行研究和应用并不多。尖晶石结构特有三维锂离子扩散通道,因此钛酸锂在高低温性能上也表现优异。

与碳负极材料相比,钛酸锂的高电位(1.5VvsLi+/Li)意味着通常在碳负极与电解液接触在表面产生的SEI膜在钛酸锂表面上基本难以形成。在正常电压范围内,在钛酸锂表面上也难以生成锂枝晶。这一点很重要,因为在很大程度上避免了锂枝晶在电池内部造成短路的可能。所以采用钛酸锂为负极的锂离子电池的安全性在各种类型的锂离子电池中相对要高。


审核编辑(王雪)
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