钛酸锂材料发表论文

尖晶石型锰酸锂正极材料的合成及电化学性能研究 在线阅读 整本下载 分章下载 分页下载 【英文题名】 The Study of Electrochemistry Performance for Synthesize Spinel Li-Mn-O Materials on the Lithium-ion Battery 【作者】 卢星河; 【导师】 唐致远; 【学位授予单位】 天津大学; 【学科专业名称】 应用化学 【学位年度】 2005 【论文级别】 博士 【网络出版投稿人】 天津大学 【网络出版投稿时间】 2007-07-10 【关键词】 锂离子电池; 正极材料; 尖晶石型锰酸锂; 阴阳离子复合掺杂; 包覆改性; 电化学性能; 高温性能; 【英文关键词】 lithium-ion battery; cathode material; spinel LiMn_2O_4; doping; surface modification; electrochemical performance; elevated temperature performance; 【中文摘要】 锂离子电池因质量比容量大、平均开路电压高和循环寿命长等优点已广泛应用于移动、便携式电器。目前锂离子电池的正极材料主要采用层状钴酸锂。由于钴资源的短缺、大电流充放电和高温环境使用的不安全因素,研究开发新一代高性能正极材料成为一项重要课题。尖晶石型LiMn_2O_4材料具有原料资源丰富、易制备和环境友好等优点,特别是因为充放电电压高、循环性能好、比容量高和使用安全等优良的电化学性能,该材料成为本研究的重点: 本研究首先对尖晶石型锰酸锂正极材料的研究现状、存在问题和解决方案等进行了较系统的探讨,先后制定了多项改善和提高尖晶石型锰酸锂电化学性能的措施。合成研究了分别和同时掺杂阴、阳离子正极材料Li_(1.02)M_xMn_(2-x)Q_yO_(4-y)的充放电比容量、循环性能、高温(55℃)性能和大电流充放电性能等,表征了合成材料的晶体结构、表观形态、粒径及粒径分布规律,进一步探讨了表面包覆(修饰)改性和电解液及其组成对锰酸锂正极材料的作用和影响。 以实验室合成的尖晶石型锰酸锂LiCo_xCr_yMn_(2-x-y)O_4材料为母体材料,以SiO_2... 【英文摘要】 The lithium-ion batteries have been widely used in portable electronic products such as, cell phones, notebook computers and cameras because of its high-capacity (2.5 times as large as the Ni-Cd batteries and 1.5 times as large as the Ni-MH batteries) and high average open voltage, that is, 3.7 V in contrast with the 1.2V of Ni-MH batteries. In the near future, the lithium-ion battery will used in the motive-batteries. As key parts of the battery,the anode and cathode have become one of the hott... 【DOI】 CNKI:CDMD:1.2007.078634 【更新日期】 2007-07-25 【相同导师文献】 导师：唐致远 导师单位：天津大学 学位授予单位：天津大学[1] 高飞.锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与电化学性能研究[D]. 中国博士学位论文全文数据库,2008,(08)[2] 黄娟.循环冷却水新型加酸工艺配方的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[3] 常林荣.铝轻型板栅在铅酸电池中的应用及聚苯胺的电化学合成[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[4] 穆雪梅.新型高效氧电极催化剂的研究与评价[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[5] 邱瑞玲.固相法合成LiFePO_4及其改性研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[6] 王倩.柔性纸质电池的研制[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[7] 赵松鹤.锂离子电池负极材料钛酸锂的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[8] 张联忠.两种锂离子电池负极材料的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2006,(08)[9] 肖成伟.车用锂离子动力电池循环性能的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(08)[10] 樊勇利.锂离子电池正极材料氧化镍钴锰锂的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(08)

钛酸锂电池优点：

1、安全稳定性好

传统的碳电极在嵌锂之后一旦过充，电极的表面容易析出金属锂，其与电解液接触发生反应会产生可燃性气体，带来安全隐患。钛酸锂的电势比纯金属锂的电势高，不易产生锂晶枝，放电电压平稳，而且，因此提高了锂电池的安全性能。

曾有第三方机构对钛酸锂电池进行测试发现，在针刺、挤压、短路等严苛测试下，不冒烟、不起火、不爆炸，安全性远高于其他锂电池。因此也有很多业内人士认为钛酸锂十分适合用在对电池稳定性要求极高的特种等领域。

电动汽车的安全稳定性能是消费者最为关注的指标，无论续航里程多远，如果不能解决安全问题，消费者开的不过是一辆装着不定时炸弹的车子，而钛酸锂电池的超安全性能无疑将会受到消费者的青睐。

2、快充性能优异

与碳负极材料相比，钛酸锂具有较高的锂离子扩散系数，可高倍率充放电。在大大缩短充电时间的同时，对循环寿命的影响较小，热稳定性也较强。据测试，最新技术研发的钛酸锂电池十分钟左右即可充满，比传统的电池有了质的飞跃。

充电时间太长一直是电动汽车发展过程中难以跨越的障碍。一般采用慢充的纯电动公交车，充电时间至少要4个小时以上，很多纯电动乘用车的充电时间更是长达8个小时。电动车辆的快速充电是未来的趋势，消费者不愿浪费太多时间在等待充电这个环节。

3、循环寿命长

电池循环寿命决定整个新能源车的性价比，是未来新能源车脱离补贴政策后的主要竞争点。汽车电池循环寿命的延长，让消费者能够买得起、养得起。

其他的传统锂离子电池，比如磷酸铁锂电池，在使用过程中会出现容量大幅衰减、寿命缩短的问题，不仅影响了用户的正常使用，还增加了电池更换成本。这种不佳的使用体验，很可能让消费者对电动汽车望而却步，从而不利于新能源汽车行业的可持续发展。

钛酸锂电池则很好地解决了这些问题。

钛酸锂电池在充放电时，锂离子嵌入和脱嵌不会造成钛酸锂晶型结构的变化，因此对钛酸锂材料的结构几乎没有影响。正因如此，钛酸锂也被称为“零应变材料”。钛酸锂电池与当前“慢充最多使用5年、快充最多使用2年”的磷酸铁锂电池相比，优势十分突出。

根据试验数据测定，普通电池循环使用寿命平均为3000次，而钛酸锂电池完全充放电循环次数可达3万次以上，在作为动力电池使用10年之后，可能还能作为储能电池再用20年。这也意味着，钛酸锂电池可以做到与车辆同生命周期，用户在实际使用中不用更换电池，几乎不增加后期成本。

4、耐宽温性能良好

钛酸锂电池的尖晶石结构具有三维锂离子扩散通道，因此钛酸锂电池在高低温性能上的表现也十分优异。一般电动汽车在零下10℃时充放电就会出现问题，钛酸锂电池耐宽温性能良好，耐用性强。

在零下50℃到零上60℃均可正常充放电，无论是在冰封的北国，还是在炎热的南方，车辆都不会因电池“休克”而影响工作，消除了用户的后顾之忧。

钛酸锂电池的这些优势，能大幅节省充电站场地建设和人员配置成本等，更适合在公交领域的推广应用，而公交系统正是我国新能源客车推广应用的“主战场”。来自目前推广应用新能源车比例最高的公交市场的反馈显示，快充方式更加适合当前公交市场的实际需求。

钛酸锂电池负极采用钛酸锂，相比负极用石墨的主流锂电池，市场份额十分小众。资料显示，在新能源客车中，钛酸锂电池的市场份额占比约为3%，远低于磷酸铁锂电池88%的市场份额;而在乘用车领域，钛酸锂电池则和其他少数派技术一起，分享着3%的市场空间。

钛酸锂电池缺点

钛酸锂（LTO）材料在电池中作为负极材料使用，由于其自身特性的原因，材料与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体析出，因此普通的钛酸锂电池容易发生胀气，导致电芯鼓包，电性能也会大幅下降，极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。

测试数据表明，普通的钛酸锂电池在经过1500-2000次左右的循环就会发生胀气的现象，导致无法正常使用，这也是制约钛酸锂电池大规模应用的一个重要原因。

钛酸锂（LTO）电池性能改进是单个材料的性能的提升以及各关键材料的有机整合的综合体现。针对快速充电与长使用寿命的要求，除负极材料以外，还要针对锂离子电池的其他关键原材料（包括正极材料、隔膜、以及电解液）。

同时结合特殊的工程化工艺经验，最终形成了“不胀气”的钛酸锂LpTO电池产品，并首先实现了在电动公交客车上的批量应用。

测试数据表明，在6C充电，6C放电，100%DOD的条件下，钛酸锂LpTO单体电池的循环寿命超过25000次，剩余容量超过80%，同时电芯产生的胀气现象不明显，不影响其寿命。

而重庆快速充电纯电动公交的实际应用情况也表明，在电池成组以后，电性能的表现也相当优异，可以保证纯电动公交客车的日常商业化运营。

优点：

1、它为零应变材料，循环性能好;

2、放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能;

3、与炭负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s)，可高倍率充放电等。

4、钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂枝晶，为保障锂电池的安全提供了基础。

缺点：

1、相对其他类型的锂离子动力电池能量密度会低一些。

2、胀气问题一直阻碍着钛酸锂电池的应用。

3、相对其他类型的锂离子动力电池价格偏高。

4、电池一致性仍存在差异，随着充放电次数的增加电池一致性差异会逐渐增大。

前景：钛酸锂材料在2－3年后，一定会成为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池工作电压2.4V，最高电压3.0V，充电电流大于2C（即电池容量值的2倍的电流）。

钛酸锂电池存在的问题：

钛酸锂电池在规模应用中面临的主要问题是成本问题，项目研发之初，其价格是磷酸铁锂电池价格的4—6倍。钛酸锂电池价格居高不下，虽然性能显著优于现有锂离子电池，但是经济性因素极大的限制了钛酸锂电池的市场推广。

因此，钛酸锂电池要实现大规模储能应用，需要在现有的电动汽车用钛酸锂电池的基础上进行技术重构，包括材料体系、电池设计、生产工艺等方面的技术重构，在保证钛酸锂电池长寿命本征特性的同时，大幅降低成本。

以上内容参考：百度百科-钛酸锂电池

人民网-重构钛酸锂电池 “多快好省”存储未来