基于鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展

趙程　邱慧敏　陳建民

【摘 要】當(dāng)今世界社會(huì)的飛速發(fā)展伴隨著人類對(duì)能源的高需求，而世界上的不可再生能源會(huì)逐漸呈現(xiàn)匱乏的狀態(tài)。人類必須要研制出新的可再生能源，才以長期滿足人類對(duì)能源的高需求，人類社會(huì)也才會(huì)獲得長遠(yuǎn)的發(fā)展。近些年來，一種新型的、性能較高的電池出現(xiàn)在人們的視野中，并且很快的得到了利用，它便是可充電的鋰離子電池，它具有充電速度快、使用壽命長、高能量、清潔無污染等方面的特點(diǎn)。鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料，在充電或者使用放電時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象，不會(huì)與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。與其他碳負(fù)極材料相比，其安全性和化學(xué)性能都更勝一籌。本文詳細(xì)介紹了鈦酸鋰的一些基本情況，重點(diǎn)分析其制備方法及其利弊，簡單的概述其發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】鈦酸鋰；合成；負(fù)極材料；鋰離子電池

1 鋰離子電池發(fā)展概況

近十年來鋰離子電池作為一種新型的充電電池迅速發(fā)展起來，它具備電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，被稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，鋰離子電池是在鋰二次電池為基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)鋰電池。在過去的30年里，鋰離子電池的生產(chǎn)制造技術(shù)基本趨于成熟的狀態(tài)。很快的被應(yīng)用于我國的軍事方面，近30年來鋰離子一次電池的生產(chǎn)技術(shù)己基本成熟，但就鋰二次電池的安全性能方面的問題來說，我們還需要采取行之有效的技術(shù)措施加以解決。中國作為發(fā)展中國家，在鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)開發(fā)與應(yīng)用上是發(fā)展中國家中最早的。經(jīng)過近些年的發(fā)展，結(jié)合國家頒布的相關(guān)指導(dǎo)性政策、地理位置的優(yōu)越性、自然資源的豐富性等，中國鋰離子電池的發(fā)展呈現(xiàn)勢如破竹的氣勢。[1]鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)鏈都日趨完善，專業(yè)化程度高，在產(chǎn)品的性能方面也取得了長足的進(jìn)步，逐漸成為世界上發(fā)達(dá)國家的競爭對(duì)手，這也表明隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，小型的、易攜帶的、高性能的鋰離子電池的需求量將大大增加。由于現(xiàn)在消費(fèi)者在工作、生活上的需求，其對(duì)于電子產(chǎn)品的需求量也逐漸加大，鋰電池行業(yè)在中國未來的幾年中將得到持續(xù)高速的發(fā)展。

2 鈦酸鋰在鋰離子電池應(yīng)用中的一些基本情況

由于鋰離子電池安全性能高、使用壽命長、方便攜帶等特點(diǎn)使其在電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域中占據(jù)著非常重要的地位。國內(nèi)外與新能源和材料學(xué)相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域?qū)﹄娊赓|(zhì)、電極材料、隔膜等輔助材料進(jìn)行了較深入的研究，這是在研究鋰離子電池過程中所必須要經(jīng)歷的過程，也是必須要進(jìn)行研究的內(nèi)容。鋰離子電池將得到更長遠(yuǎn)的發(fā)展，因其制造環(huán)節(jié)得到很大的突破以及科學(xué)家對(duì)電化學(xué)和材料科學(xué)有非常深入的研究。在我們已了解的鋰離子電池中，碳材料因其良好的循環(huán)性能、低倍率性能成為鋰離子電池中應(yīng)用最早且最廣泛的負(fù)極材料，但因其理論容量低，在低電壓下容易出現(xiàn)枝晶形成電池內(nèi)部的短路效應(yīng)，使其充電和放電時(shí)的安全性大大降低。[2]所以碳材料難以被應(yīng)用到功率大的電器領(lǐng)域；金屬氧化物成為鋰離子電池負(fù)極材料，在充放電時(shí)，電壓會(huì)有一些的提高，其可逆容量很高，但其充放電時(shí)的機(jī)理非常復(fù)雜，從而造成不可逆容量的損失。另外，它的體積變化概率非常大，影響其循環(huán)性能，很難在商品中得到廣泛應(yīng)用；氮化物因其可逆容量非常高，循環(huán)性能非常好的特點(diǎn)在鋰離子電池負(fù)極材料中得到應(yīng)用，但其制備過程異常繁雜，且生產(chǎn)成本很高，不適用與大批量的生產(chǎn)和利用。而現(xiàn)在應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料的鈦酸鋰擁有尖晶石結(jié)構(gòu)，被稱為“零應(yīng)變材料”。它提高了電池在充放電時(shí)的電壓，且體積效應(yīng)較小，其倍率性能、循環(huán)性能、安全性都明顯高于碳負(fù)極材料。能適用于在大電流下快速的充電或者放電。而用來制作鈦酸鋰的材料來源非常之廣泛，對(duì)環(huán)境的保護(hù)非常好，且資源十分豐富。

3 鈦酸鋰的制備方法

可以說一個(gè)材料最終的性能好壞是由該種材料的制備方法來決定的。較為傳統(tǒng)的尖晶石型鈦酸鋰制備方法主要是高溫固相法、熔鹽法和溶膠凝膠法，負(fù)極材料在微觀結(jié)構(gòu)上的改善及宏觀性能上的提升與其制備方法有著直接的關(guān)系。制備方法的不同會(huì)使化合物的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、粒子的形狀、表面積、化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生相應(yīng)的變化。

3.1 高溫固相法

高溫固相法的操作步驟比較簡單，在工業(yè)生產(chǎn)中非常的便利，可以快速的進(jìn)行生產(chǎn)。但是此種方法也有其弊端，首先，用該種方法制作鈦酸鋰時(shí)合成溫度要非常高；其次，它燒結(jié)所需耗費(fèi)的時(shí)間非常長且消耗能量非常多，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率比較低下；最后，難以控制化合物內(nèi)部的粒徑分布，因此其一致性、均勻性、重現(xiàn)性都比較差。[3]具體的合成方法是按照特定物質(zhì)的量比將Li2CO3和TiO2分散在水中或者有機(jī)溶劑中，利用高溫去除溶劑，然后在正常的環(huán)境下用800至1000攝氏度的高溫進(jìn)行燒結(jié)，持續(xù)3至24小時(shí)，最后待爐溫冷卻下來，可以得到我們理想中的且是尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰。

3.2 溶膠凝膠法

利用溶膠凝膠方法制備的材料具有非常明顯的優(yōu)勢，比如制備時(shí)合成溫度比較低，合成時(shí)間比較短，產(chǎn)物分布窄、比表面積大、均一性好等。溶膠凝膠法在試驗(yàn)中應(yīng)用比較廣泛并且在以往的試驗(yàn)中得到了比較好的成績，取得了顯著地效果。

3.3 熔鹽法與之前所介紹的高溫固相法有很大的不同，熔鹽法中的加熱溶劑是LiCl。通過對(duì)LiCl的量和加熱時(shí)間進(jìn)行控制，能夠?qū)Ξa(chǎn)物粒度起到很好的作用。將TiO2、LiCl、和Li2CO3充分的混在一起，再使用不同溫度進(jìn)行加熱，之后會(huì)得到相應(yīng)的產(chǎn)物，將得到的產(chǎn)物放在去離子水中加以浸泡，就能去除少量殘留在化合物中的LiCl，此后將其置于120攝氏度下，使其干燥并持續(xù)12小時(shí)，就能得到粒度不同的目標(biāo)產(chǎn)物鈦酸鋰。

4 結(jié)語

尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（Li4Ti5012）是一種“零應(yīng)變”材料，它的安全性能、循環(huán)性能、倍率性能非常優(yōu)異，這使其在鋰離子電池負(fù)極材料中占據(jù)主導(dǎo)地位，是鋰離子電池最為理想的一種負(fù)極材料。雖然其自身也存在著一些問題，如導(dǎo)電性能差、高倍率性能較快衰減等問題，在一定程度上限制著鈦酸鋰的發(fā)展。但其綠色環(huán)保、穩(wěn)定使其能夠適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢。在未來，鈦酸鋰將會(huì)被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電池、動(dòng)力汽車等領(lǐng)域，為人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步提供更大的支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董麗娜，王春蘋，劉園，鄭曉冬.球形多孔鈦酸鋰/導(dǎo)電碳復(fù)合材料的制備及其作為鋰離子電池負(fù)極材料的倍率性能研究5[J].化學(xué)工程與裝備，2014，02：45-48.

[2]袁華，何云蔚，艾常春.鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料的改性進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，08：20-26.

[3]羅銀燕，李燕楠，邢琳.鋰離子電池負(fù)極材料鈦酸鋰研究進(jìn)展[J].科技視界，2015，28：27+33.

[責(zé)任編輯：湯靜]