尖晶石鈦酸鋰及其在鋰離子動力電池中的應用
摘要：作為一種新型鋰離子電池負極材料，尖晶石鈦酸鋰（Li4Ti5O12）具有使用壽命長、安全性高和熱穩定性好等特點，因此被作為鋰離子動力電池的負極材料而廣泛研究。本文對Li4Ti5O12的研發現狀及應用情況做了介紹，并對Li4Ti5O12的研發應用方向做了展望，認為目前Li4Ti5O12的主要研究方向是提高倍率性能，包覆碳是提高倍率性能的有效途徑。應用方面，在未來幾年Li4Ti5O12電池最有可能作為HEV動力電池率先得到應用。
關鍵詞：鈦酸鋰；鋰離子電池；動力電池；應用
Abstract: As a new anode material for lithium ion battery, the spinel lithium titanate, Li4Ti5O12, has excellent performance for its long cycle life, high safety and good thermal stability. So it was widely researched as anode materials of lithium ion battery. In this paper, current status of Li4Ti5O12 research & development and application is introduced, and development trends are prospected. We think that the main research direction of lithium titanate is high rate capability, carbon coating is an effective way. In the coming years, Li4Ti5O12 battery most likely will be firstly applied in HEV.
Key words: lithium titanate, lithium-ion battery, traction battery, application
1 引言
隨著便攜式電子設備、混合動力車、電動汽車以及空間技術等的迅猛發展，二次電池在比容量、循環壽命、安全性等方面提出了更高的要求。改進和提高電池的電化學性能可從電極材料等方面入手。
目前商品化的鋰離子電池負極材料大多是嵌鋰碳材料，由于嵌鋰后碳電極的電位與金屬鋰的電位很接近，當電池過充時，碳電極表面易析出金屬鋰，它與電解液反應產生可燃氣體混合物，因而給電池、特別是動力電池造成很大的安全隱患。同時，石墨電極還存在電解液的共嵌入問題，這也將影響電極的循環穩定性。因此，尋找比碳負極在稍正的電位下嵌入鋰、廉價易得、安全可靠的新型負極材料是必要的。其中低電位過渡金屬氧化物及復合氧化物作為鋰離子電池的負極材料引起了人們的廣泛注意，Li4Ti5O12是其中廣受關注的材料之一。
Li4Ti5O12為白色物質，不導電，在空氣中能穩定存在。Li4Ti5O12為尖晶石結構，空間群為Fd3m，其中O2-離子構成FCC點陣，位于32e的位置，部分Li 位于8a的四面體間隙中，同時部分Li 和Ti4 位于16d的八面體間隙中,其結構式可寫為[Li]8a[Li1/3Ti5/3]16d[O4]32e，晶格常數a = 0.8364mm。
Li4Ti5O12相對于鋰電極的電位為1.55V，理論比容量為175mAh/g，實際比容量150～160mAh/g。在Li 嵌入或脫出過程中，晶型不發生變化，體積變化小于1%，因此被稱為“零應變材料”，這具有重要意義，能夠避免充放電循環中由于電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞，從而提高電極的循環性能和使用壽命，減少了隨循環次數增加而帶來比容量大幅度的衰減，使Li4Ti5O12具有比碳負極更優良的循環性能。在25℃下，Li4Ti5O12的化學擴散系數為2×10-8cm2/s，比碳負極材料中的擴散系數大一個數量級，高的擴散系數使得該負極材料可以快速、多循環充放電。
由于鈦酸鋰具有一些其它負極材料無可比擬的優點，因此作為動力鋰離子電池負極材料有著巨大的研究價值和商業應用前景。本文對鈦酸鋰的研發現狀及應用情況做了介紹，并對其研發、應用方向做了展望。
2 應用進展
自上世紀末開始，國際上鈦酸鋰的應用研究一直在平穩進行，但都沒有取得突破性的進展。2005年2月的英國《新科學家》周刊報道，美國內華達州阿爾泰納米技術公司研制出一種市場前景非常好的鋰離子電池，其充電時間只需6分鐘，而充電后的使用時間和電流強度是現有一般充電電池的10倍和3倍；阿爾泰公司的這項新技術是利用鈦酸鋰納米晶體做負極。阿爾泰公司研發負責人介紹說，碳負極的光滑表面容易因電池使用和充電時溫度的反復變化而受損，其使用壽命一般在400個充電周期左右。而鈦酸鋰負極更為凹凸不平的表面可使電池充電次數最高達到2萬次。自從阿爾泰公司推出性能優異的納米鈦酸鋰電池后，國際上又掀起了一輪開發鈦酸鋰電池的高潮。
圖4 阿爾泰公司鈦酸鋰電池的預測循環性能曲線
在2007年12月2～5日舉行的“EVS23”上，阿爾泰公司又公布了它們公司目前鈦酸鋰電池的性能，結果如圖5所示?？梢钥闯?，電池的循環性能、倍率放電性能以及低溫放電性能都非常優異。
圖5 阿爾泰公司目前鈦酸鋰電池的性能曲線
美國EnerDel公司在AABC-07上展出了負極使用Li4Ti5O12的混合動力車鋰離子充電電池，該電池單元的特點是，正極使用安全性很好的LiMn2O4的同時，負極使用了安全性更高的Li4Ti5O12，安全性極高，低溫下的放電特性以及循環性能優越。
圖6 EnerDel公司電池的循環及倍率放電性能
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圖7 EnerDel公司的電池及裝配該電池的汽車
美國能源部（DOE）于2007年10月選定5個項目共投資1720萬美元，開發組合式混合動力車（PHEV）用電池，重點是開發10英里和40英里范圍內PHEV用電池。分別為3M、A123、Compact Power、EnerDel和JCS獲得。其中EnerDel公司獲125萬美元資助，在2年內開發應用于10英里和40英里范圍內PHEV的鋰離子電池，負極采用納米鈦酸鋰（Li4Ti5O12），正極采用高電壓的鎳錳陰極材料。
日本東芝公司在2004年之前曾生產和銷售過便攜產品用鋰電池，但由于不盈利，在合計虧損約160億日元后，04年東芝退出了該業務。但在2007年12月11日，東芝又宣布將于2008年3月量產新型鋰離子充電電池。東芝開發的新產品通過采用尖晶石鈦酸鋰作為負極材料，產品安全性高，并且即使反復快速充電，性能也難以劣化。在快速充放電條件下（25℃，10C（42A）充電，15A放電），即使反復充放電約3000次，容量也只降低不到10％。該公司表示，由于可反復充放電超過5000次，因此按每天充電一次計算，可反復使用10年以上。另外新產品還能夠以50A的大電流進行快充，單元及標準模塊均可在5分鐘充滿電池容量的90%以上。此外，在-30℃也可確保80%以上的放電容量，因此還可在寒冷地區使用。
東芝計劃憑借新產品的上述特點，將其應用于備用電源、無人搬運車、叉車等產業用途，并應用于帶電動輔助功能的自行車、電動輕騎摩托及混合動力車等電動車輛。據東芝估計，面向上述用途的充電電池市場，到2015年度市場規模將達到1萬億日元。為此該公司計劃2010年之前投資200億日元，使生產能力達到月產電池單元100萬塊。
圖8 東芝的電池和高倍率循環性能曲線
圖9 東芝鈦酸鋰電池應用于電動自行車的示意圖
3 材料研發現狀
雖然國內外很多的大專院校、科研院所以及公司企業都在進行鈦酸鋰的研究，但能提供樣品的單位不多。目前國內只有深圳的兩家公司以及***的一家公司可以提供樣品。這些公司的樣品中，深圳A公司的樣品是經過包碳處理的，外觀為黑色粉末；其余幾家公司的樣品為純鈦酸鋰白色粉末。表1為各公司樣品物性參數測試結果；圖1為幾家公司樣品的扣式電池1C充放電測試對比結果。
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表1 各公司樣品物性參數表
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圖1 幾家公司鈦酸鋰樣品循環性能對比圖
從測試對比結果可以看出，深圳A公司的樣品比容量高，循環性能穩定，綜合性能明顯優于其它公司的樣品；美國某公司宣稱其應用自己的專利技術生產出了性能優異的鈦酸鋰，通過化學技術使鈦酸鋰比表面積達到約100m2/g，由于其較大的比表面積，可使電子迅速嵌入和脫出，從而可以實現快速充放電，提供大電流，制造的電池循環性能和倍率性能異常出色；但我們通過某些渠道拿到其樣品，測試結果并不理想。
另外，德國南方化學（Süd-Chemie）公司在2007年成為加拿大Phostech Lithium 公司的控股公司后，開始涉足鋰離子電池材料行業，該公司宣稱研制出了性能優異的鈦酸鋰產品，并可以提供1公斤免費樣品。
圖2 南方化學鈦酸鋰的XRD圖
圖3 南方化學鈦酸鋰的SEM圖和倍率充放電曲線圖
4 展望
目前國內Li4Ti5O12存在的主要問題是倍率性能較差，在高倍率環境下工作時，Li4Ti5O12比容量衰減迅速。而對于鋰離子動力電池的實際應用，高倍率工作特性是決定其能否獲得商業化應用的關鍵因素之一，因此提高Li4Ti5O12的高倍率性能將成為研究的主要方向；我們認為摻雜和包覆碳是提高Li4Ti5O12倍率性能的簡單有效途徑，最有可能在實際生產中得到大規模應用。
在應用上，由于Li4Ti5O12具有的“零應變”特性、較大的離子擴散系數、高的熱穩定性等特點，特別適合作為鋰離子動力電池負極材料使用，未來幾年Li4Ti5O12電池最有可能作為HEV動力電池率先得到應用。