鈦酸鋰電池特性分析及應(yīng)用在電動車時的優(yōu)缺點

　　鈦酸鋰電池是什么

　　作為鋰離子電池負極材料-鈦酸鋰，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。此外，它還可以用作正極，與金屬鋰或鋰合金負極組成1.5V的鋰二次電池。由于鈦酸鋰的高安全性、高穩(wěn)定性、長壽命和綠色環(huán)保的特點?？梢灶A(yù)見：鈦酸鋰材料在2-3年后，一定會成為新一代鋰離子電池的負極材料而被廣泛應(yīng)用在新能源汽車、電動摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長周期的應(yīng)用領(lǐng)域。鈦酸鋰電池工作電壓2.4V，最高電壓3.0V，充電電流大于2C。

　　鈦酸鋰電池的特性

　　鈦酸鋰（LTO）材料在電池中作為負極材料使用，由于其自身特性的原因，材料與電解液之間容易發(fā)生相互作用并在充放循環(huán)反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體析出，因此普通的鈦酸鋰電池容易發(fā)生脹氣，導(dǎo)致電芯鼓包，電性能也會大幅下降，極大地降低了鈦酸鋰電池的理論循環(huán)壽命。測試數(shù)據(jù)表明，普通的鈦酸鋰電池在經(jīng)過1 500-2 000次左右的循環(huán)就會發(fā)生脹氣的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常使用，這也是制約鈦酸鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的一個重要原因。鈦酸鋰（LTO）電池性能改進是單個材料的性能的提升以及各關(guān)鍵材料的有機整合的綜合體現(xiàn)。針對快速充電與長使用壽命的要求，除負極材料以外，還要針對鋰離子電池的其他關(guān)鍵原材料（包括正極材料、隔膜、以及電解液），同時結(jié)合特殊的工程化工藝經(jīng)驗，最終形成了“不脹氣”的鈦酸鋰LpTO電池產(chǎn)品，并首先實現(xiàn)了在電動公交客車上的批量應(yīng)用。測試數(shù)據(jù)表明，在6C充電，6C放電，100%DOD的條件下，鈦酸鋰LpTO單體電池的循環(huán)壽命超過25 000次，剩余容量超過80%，同時電芯產(chǎn)生的脹氣現(xiàn)象不明顯，不影響其壽命;而重慶快速充電純電動公交的實際應(yīng)用情況也表明，在電池成組以后，電性能的表現(xiàn)也相當(dāng)優(yōu)異，可以保證純電動公交客車的日常商業(yè)化運營。

　　優(yōu)點

　　采用電動車輛取代燃油車輛是解決城市環(huán)境污染的最佳選擇，其中鋰離子動力電池引起了研究者的廣泛關(guān)注。為了滿足電動車輛對車載型離子動力電池的要求，研制安全性高、倍率性能好且長壽命的負極材料是其熱點和難點。

　　商業(yè)化的鋰離子電池負極主要采用碳材料，但以碳做負極的鋰電池在應(yīng)用上仍存在一些弊端：

　　1、過充電時易析出鋰枝晶，造成電池短路，影響鋰電池的安全性能;

　　2、易形成SEI膜而導(dǎo)致首次充放電效率較低，不可逆容量較大;

　　3、即碳材料的平臺電壓較低（接近于金屬鋰），并且容易引起電解液的分解，從而帶來安全隱患。

　　4、在鋰離子嵌入、脫出過程中體積變化較大，循環(huán)穩(wěn)定性差。

　　與碳材料相比，尖晶石型的Li4Ti5O12具有明顯的優(yōu)勢：

　　1、它為零應(yīng)變材料，循環(huán)性能好;

　　2、放電電壓平穩(wěn)，而且電解液不致發(fā)生分解，提高鋰電池安全性能;

　　3、與炭負極材料相比，鈦酸鋰具有高的鋰離子擴散系數(shù)（為2 *10-8cm2/s），可高倍率充放電等。

　　4、鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高，不易產(chǎn)生鋰晶枝，為保障鋰電池的安全提供了基礎(chǔ)。

　　缺點

　　1、相對其他類型的鋰離子動力電池能量密度會低一些。

　　2、脹氣問題一直阻礙著鈦酸鋰電池的應(yīng)用。

　　3、相對其他類型的鋰離子動力電池價格偏高。

　　4、電池一致性仍存在差異，隨著充放電次數(shù)的增加電池一致性差異會逐漸增大。

　　應(yīng)用在電動車上的優(yōu)缺點

　　能量密度低是其最為突出的問題，所以更適合于一些特種的電動汽車的用途，想讓汽車跑遠點的都請忽略它。

　　鈦酸鋰介紹：

　　175mAh/g的理論容量，對鋰電位1.5V----因此也不會產(chǎn)生SEI，不可逆容量低（所以這個材料壽命和安全性好），嵌脫鋰時體積應(yīng)變只有不到0.2%，所以材料結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定。制成時是Li4Ti5O12，充電滿后是Li7Ti5O12。該材料安全，壽命長，在功率型以及低溫用途下表現(xiàn)出色。

　　下面開始分析：

　　容量不低，175mAh/g，但是這只是容量，不是能量，電壓乘以電量得到的才是能量。此材料電壓是1.5V，OK。

　　問題來了，這個材料倒是既可以做正極，也可以做負極。如果做正極的話，那基本就要和石墨負極配，得到的電池基本就是1.5V的電池（一般鋰電池，3.4，3.7V的都有，現(xiàn)在好像還有4V的）。但是這也太搓了，電壓如此低，得到的電池能量密度也比較慘，看看電壓差別，就知道，能量密度起碼跌一半。你們整天嫌電動車跑不遠，就是因為電池能量密度差，你再看看它。

　　還沒完，它如果做正極，先充電的話要嵌鋰，這就要求負極必須含鋰。一般用的負極，比如石墨，都是不含鋰的，這就要求鋰化。鋰化的石墨/硅負極這個技術(shù)似乎已經(jīng)有，不過我聽來我們這里介紹的日本專家講了講，感覺可不像是什么已經(jīng)比較成熟的技術(shù)，至少個人認為比鈦酸鋰離實用還要遠。總之，當(dāng)正極感覺十分不靠譜……

　　如果做負極的話，OK，這是它的本行吧。它電壓是高一點，不過正好與電解液穩(wěn)定共存，不會生成SEI膜。因此材料安全性不錯，材料充放電時應(yīng)變又小，被譽為“零應(yīng)變材料”，總之壽命長，大倍率充放也比較耐受，聽說有一萬次的壽命。

　　但是，樹上的鳥兒成雙對~~~~~~~~~~，它做負極的話，與幾種正極材料配合的情況如何？

　　電池的正負極相配是比較重要的內(nèi)容：比如這個負極特別牛，一萬次的壽命，可惜正極只能撐500下……一樣沒戲。幾種典型的正極材料，如三元（現(xiàn)在也不錯了），鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰中，磷酸鐵鋰仍然是毫無疑問的壽命最高的（雖然你們老吐槽鐵鋰這這那那），磷酸鐵鋰的功率性能也很好（參見上次磷酸鐵鋰電池的回答），因此個人認為和鈦酸鋰配合還比較靠譜。不過這種電池，電壓只有3.4-1.5=1.9V，基本還是一個慘（普通磷酸鐵鋰電池，以石墨為負極，3.3V左右的電壓）。能量密度也相應(yīng)的非常寒磣。

　　總之，鈦酸鋰這個材料，要么電壓再低點（當(dāng)負極），要么電壓再高一點（牛B無敵新正極），可能境遇都要好很多。

　　此外，這個材料價格貴是肯定的（RMB/kg），畢竟鈦不是什么特別便宜的東西，你再便宜能有錳鐵便宜？再加上能量密度低（WH/kg），所以算單位能量（RMB/WH）的價格時，只會更缺乏競爭力。（你們天天嫌電動車貴）說來說去，其實人家也有優(yōu)點，材料穩(wěn)定，安全，大倍率功率性能良好，因此對于“快充” “功率型”用途，一定是比較適合的，這一點沒有問題，人家沒撒謊。

　　但是，這種功率型用途是靠犧牲能量密度得來的，以前裝100kg電池，現(xiàn)在如果還想跑那么遠，就要裝200kg……所以相應(yīng)的也就做了一些調(diào)整，比如就少裝電池，然后跑一趟充一次，每次都快充。 其實我覺得，這也算是一種成功的運行模式。只不過真的得把單位能量（RMB/WH）的價格這筆賬算清楚，畢竟受認可的產(chǎn)品，成本一定得有點競爭力，而在這點上鈦酸鋰好像不太樂觀。

　　另外一個快充，電流大，略危險，能量損失率高，算了……我覺得我像是一個快充黑，總之快充有優(yōu)點，也有不足，客觀看待吧~　　

　　PS：鈦酸鋰做負極與磷酸鐵鋰配合，充分發(fā)揮穩(wěn)定、長壽命、高功率的優(yōu)點時，做一些功率型、儲能型電池，還是比較靠譜的，貌似有廠家有這個產(chǎn)品。