2.1.5 鈦酸鋰電池

鈦酸鋰電池是一種用鈦酸鋰作鋰電池負極材料，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的鋰離子二次電池。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，可以預見：數(shù)年時間內(nèi)，鈦酸鋰很可能會成為新一代鋰電池的負極材料并被廣泛應用，尤其是在新能源汽車、電動摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長周期的應用領域。鈦酸鋰電池工作電壓為2.4V，最高電壓為3.0V，充電電流大于2C。

鈦酸鋰材料在電池中作為負極材料使用，由于其自身特性，材料與電解液之間容易發(fā)生相互作用并在充放電循環(huán)反應過程中析出氣體，因此普通的鈦酸鋰電池容易發(fā)生脹氣，導致電芯鼓包，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，普通的鈦酸鋰電池經(jīng)過1500～2000次的循環(huán)就會發(fā)生脹氣的現(xiàn)象，導致電池無法正常使用，這也是制約鈦酸鋰電池大規(guī)模應用的一個重要原因。

鈦酸鋰電池性能改進是單個材料的性能提升以及各關(guān)鍵材料的有機整合的綜合體現(xiàn)。針對鋰電池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，并初次實現(xiàn)了在電動公交車上的批量應用。

測試數(shù)據(jù)表明，在6C充電、6C放電和100%DOD的條件下，鈦酸鋰單體電池的循環(huán)壽命超過25000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用情況也表明，在電池成組以后，儲電性能也相當優(yōu)異，可以保證純電動公交客車的日常商業(yè)化運營。

采用新能源汽車取代燃油汽車是解決城市環(huán)境污染的最佳選擇，其中鋰電池引起了研究者的廣泛關(guān)注。為了滿足新能源汽車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，也是當前鈦酸鋰電池的著重研究方向。商業(yè)化的鋰電池負極主要采用碳材料，但以碳作為負極的鋰電池在應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膜而導致首次充放電效率較低，不可逆容量較大。

3）碳材料的平臺電壓較低（接近于金屬鋰），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)點：

1）它為零應變材料，循環(huán)性能好。

2）放電電壓平穩(wěn)，而且電解液不會發(fā)生分解，提高了鋰電池安全性能。

3）與碳負極材料相比，鈦酸鋰具有高的鋰離子擴散系數(shù)（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)生鋰枝晶，為保障鋰電池的安全提供了基礎。

缺點：

1）相對其他類型的鋰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用。

3）相對其他類型的鋰電池價格偏高。

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。

從2011年4月起，重慶公交集團開始分批采用快速充電的純電動公交車，這些車輛運用的技術(shù)核心是微宏動力的鈦酸鋰電池以及10min快速充電技術(shù)，它們通過了公交實際商業(yè)運營嚴苛的考驗且整體表現(xiàn)優(yōu)異。銀隆新能源股份有限公司已經(jīng)批量生產(chǎn)鈦酸鋰電池，且將其應用于儲能方面，并收購了全球鈦酸鋰技術(shù)領先的美國Nasdaq上市公司ALTAIR。一些涉足電池業(yè)務的中國企業(yè)，通過收購美國企業(yè)來提高技術(shù)實力。國內(nèi)也有很多研究單位在推進Li₄Ti₅O₁₂負極材料的研究，如天津大學、天津電源研究所、北京科技大學、廈門大學、武漢大學、中科院成都某所、深圳清華大學研究院等。

目前應用最多的高能量密度電池主要是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰離電池在200℃左右就會分解，并釋放出氧分子，可以說是自帶氧氣庫，使得燃燒更加劇烈。三元鋰電池曾一度被禁止列入新能源客車推廣應用推薦目錄。目前市場上三元電池并沒有被應用于新能源客車領域。中國北方車輛研究所動力電池實驗室主任王子冬曾表示，大部分新能源汽車著火是在充電過程中，或者剛剛結(jié)束充電后。

鈦酸鋰又稱為零應變材料，在電池充放電反應中不易產(chǎn)生金屬活動性強的鋰枝晶，而且?guī)缀醪粫a(chǎn)生石墨負極（三元鋰等高能量密度電池采用的負極均為石墨）必會產(chǎn)生的SEI膜。這層SEI膜熱穩(wěn)定性極差，遇到高溫易分解并釋放大量熱量，導致熱失控而出現(xiàn)起火、爆炸等危險，幾乎不形成SEI膜的鈦酸鋰電池材料則可完美避免此問題。通過對鈦酸鋰電池進行測試發(fā)現(xiàn)，在針刺、擠壓、短路等嚴苛條件下測試，鈦酸鋰電池仍不冒煙、起火、爆炸；在20℃± 5℃條件下，單體鈦酸鋰電池擱置1h后，再置于烈火中焚燒，50min后電池才開始出現(xiàn)反應。顯然，鈦酸鋰電池安全性遠高于其他鋰電池。

在里程等諸多因素作用之下，三元鋰電池等能量密度高、安全性能不穩(wěn)定的電池受到追捧，而安全性能高、能量密度相對弱的鈦酸鋰電池卻一再被忽略。實際上，乘用車的里程焦慮并不適用于公交車。不同的電池用在不同的領域，這才是市場和技術(shù)彰顯的本色。公交車作為固定站場、固定里程的運營車輛，并不需要超長的續(xù)航里程。鈦酸鋰電池的6min快充這一優(yōu)勢，讓公交車可以利用進站司機間隙的短時間進行快速充電，完全不影響公交車的運行效率。事實上，作為全國最大的鈦酸鋰電池生產(chǎn)企業(yè)，銀隆新能源股份有限公司的鈦酸鋰新能源汽車早已在國內(nèi)外超過100座城市穩(wěn)定運營，并得到公交集團的充分肯定。

市場需要的是安全的產(chǎn)品。工業(yè)和信息化部將加快實施新能源汽車安全強制性國家標準，加強對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的安全監(jiān)管。動力電池的發(fā)展決定了純電動汽車的未來，頻發(fā)的新能源汽車起火事故說明僅將電池能量密度作為唯一指標確實有失偏頗，產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)應該基于對市場的理性判斷、對材料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，人們的生命財產(chǎn)安全。