鈦酸鋰電池特性分析及應(yīng)用在電動(dòng)車時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　鈦酸鋰電池是什么

　　作為鋰離子電池負(fù)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(fù)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(zhǎng)壽命和綠色環(huán)保的特點(diǎn)?？梢灶A(yù)見：鈦酸鋰材料在2-3年后，一定會(huì)成為新一代鋰離子電池的負(fù)極材料而被廣泛應(yīng)用在新能源汽車、電動(dòng)摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)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(fù)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(guò)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(huì)大幅下降，極大地降低了鈦酸鋰電池的理論循環(huán)壽命。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，普通的鈦酸鋰電池在經(jīng)過(guò)1 500-2 000次左右的循環(huán)就會(huì)發(fā)生脹氣的現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)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(gè)重要原因。鈦酸鋰（LTO）電池性能改進(jìn)是單個(gè)材料的性能的提升以及各關(guān)鍵材料的有機(jī)整合的綜合體現(xiàn)。針對(duì)快速充電與長(zhǎng)使用壽命的要求，除負(fù)極材料以外，還要針對(duì)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(shí)結(jié)合特殊的工程化工藝經(jīng)驗(yàn)，最終形成了“不脹氣”的鈦酸鋰LpTO電池產(chǎn)品，并首先實(shí)現(xiàn)了在電動(dòng)公交客車上的批量應(yīng)用。測(cè)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(guò)25 000次，剩余容量超過(guò)80%，同時(shí)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(dòng)公交的實(shí)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(dòng)公交客車的日常商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　采用電動(dòng)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(dòng)力電池引起了研究者的廣泛關(guān)注。為了滿足電動(dòng)車輛對(duì)車載型離子動(dòng)力電池的要求，研制安全性高、倍率性能好且長(zhǎng)壽命的負(fù)極材料是其熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

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

　　1、過(guò)充電時(shí)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(tái)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(lái)安全隱患。

　　4、在鋰離子嵌入、脫出過(guò)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(shì)：

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

　　4、鈦酸鋰的電勢(shì)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(diǎn)

　　1、相對(duì)其他類型的鋰離子動(dòng)力電池能量密度會(huì)低一些。

　　2、脹氣問(wèn)題一直阻礙著鈦酸鋰電池的應(yīng)用。

　　3、相對(duì)其他類型的鋰離子動(dòng)力電池價(jià)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(huì)逐漸增大。

　　應(yīng)用在電動(dòng)車上的優(yōu)缺點(diǎn)

　　能量密度低是其最為突出的問(wèn)題，所以更適合于一些特種的電動(dòng)汽車的用途，想讓汽車跑遠(yuǎn)點(diǎn)的都請(qǐng)忽略它。

　　鈦酸鋰介紹：

　　175mAh/g的理論容量，對(duì)鋰電位1.5V----因此也不會(huì)產(chǎn)生SEI，不可逆容量低（所以這個(gè)材料壽命和安全性好），嵌脫鋰時(shí)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(shí)是Li4TI5O12，充電滿后是Li7TI5O12。該材料安全，壽命長(zhǎng)，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(wèn)題來(lái)了，這個(gè)材料倒是既可以做正極，也可以做負(fù)極。如果做正極的話，那基本就要和石墨負(fù)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(dòng)車跑不遠(yuǎn)，就是因?yàn)殡姵啬芰棵芏炔?，你再看看它?/p>

　　還沒完，它如果做正極，先充電的話要嵌鋰，這就要求負(fù)極必須含鋰。一般用的負(fù)極，比如石墨，都是不含鋰的，這就要求鋰化。鋰化的石墨/硅負(fù)極這個(gè)技術(shù)似乎已經(jīng)有，不過(guò)我聽來(lái)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(gè)人認(rèn)為比鈦酸鋰離實(shí)用還要遠(yuǎn)。總之，當(dāng)正極感覺十分不靠譜……

　　如果做負(fù)極的話，OK，這是它的本行吧。它電壓是高一點(diǎn)，不過(guò)正好與電解液穩(wěn)定共存，不會(huì)生成SEI膜。因此材料安全性不錯(cuò)，材料充放電時(shí)應(yīng)變又小，被譽(yù)為“零應(yīng)變材料”，總之壽命長(zhǎng)，大倍率充放也比較耐受，聽說(shuō)有一萬(wàn)次的壽命。

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

　　電池的正負(fù)極相配是比較重要的內(nèi)容：比如這個(gè)負(fù)極特別牛，一萬(wàn)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(cuò)了），鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰中，磷酸鐵鋰仍然是毫無(wú)疑問(wèn)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(gè)人認(rèn)為和鈦酸鋰配合還比較靠譜。不過(guò)這種電池，電壓只有3.4-1.5=1.9V，基本還是一個(gè)慘（普通磷酸鐵鋰電池，以石墨為負(fù)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(gè)材料，要么電壓再低點(diǎn)（當(dāng)負(fù)極），要么電壓再高一點(diǎn)（牛B無(wú)敵新正極），可能境遇都要好很多。

　　此外，這個(gè)材料價(jià)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(jià)格時(shí)，只會(huì)更缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。（你們天天嫌電動(dòng)車貴）說(shuō)來(lái)說(shuō)去，其實(shí)人家也有優(yōu)點(diǎn)，材料穩(wěn)定，安全，大倍率功率性能良好，因此對(duì)于“快充” “功率型”用途，一定是比較適合的，這一點(diǎn)沒有問(wèn)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(lái)的，以前裝100kg電池，現(xiàn)在如果還想跑那么遠(yuǎn)，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(shí)我覺得，這也算是一種成功的運(yùn)行模式。只不過(guò)真的得把單位能量（RMB/WH）的價(jià)格這筆賬算清楚，畢竟受認(rèn)可的產(chǎn)品，成本一定得有點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)力，而在這點(diǎn)上鈦酸鋰好像不太樂(lè)觀。

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

　　PS：鈦酸鋰做負(fù)極與磷酸鐵鋰配合，充分發(fā)揮穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命、高功率的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，做一些功率型、儲(chǔ)能型電池，還是比較靠譜的，貌似有廠家有這個(gè)產(chǎn)品。