锂离子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用途，能够防止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，延长了锂离子电池的使用寿命。

与石墨负极相比，钛酸锂具有更高的嵌锂电位，可有效防止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重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，即电池内部不断出现气体，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离子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离子电池要充电2-4小时，而钛酸锂离子电池仅要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供应3C配置系统，为用户供应一个最小规模的高倍率系统完成调频等辅助服务，瞬间供应大倍率的输入/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。