什么是鈦酸鋰電池，鈦酸鋰電池的使用壽命及優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 15:19
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鈦酸鋰(LTO)材料在電池中作為負(fù)極材料使用，由于其自身特性的原因，材料與電解液之間容易發(fā)生相互作用并在充放循環(huán)反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體析出，因此普通的鈦酸鋰電池容易發(fā)生脹氣，導(dǎo)致電芯鼓包，電性能也會(huì)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，普通的鈦酸鋰電池在經(jīng)過1 500-2 000次左右的循環(huán)就會(huì)發(fā)生脹氣的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常使用，這也是制約鈦酸鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要原因。鈦酸鋰(LTO)電池性能改進(jìn)是單個(gè)材料的性能的提升以及各關(guān)鍵材料的有機(jī)整合的綜合體現(xiàn)。
針對(duì)快速充電與長使用壽命的要求，除負(fù)極材料以外，還要針對(duì)鋰離子電池的其他關(guān)鍵原材料(包括正極材料、隔膜、以及電解液)，同時(shí)結(jié)合特殊的工程化工藝經(jīng)驗(yàn)，最終形成了“不脹氣”的鈦酸鋰LpTO電池產(chǎn)品，并首先實(shí)現(xiàn)了在電動(dòng)公交客車上的批量應(yīng)用。
測試數(shù)據(jù)表明，在6C充電，6C放電，100%DOD的條件下，鈦酸鋰LpTO單體電池的循環(huán)壽命超過25 000次，剩余容量超過80%，同時(shí)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(dòng)公交的實(shí)際應(yīng)用情況也表明，在電池成組以后，電性能的表現(xiàn)也相當(dāng)優(yōu)異，可以保證純電動(dòng)公交客車的日常商業(yè)化運(yùn)營。
優(yōu)點(diǎn)
商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極主要采用碳材料，但以碳做負(fù)極的鋰電池在應(yīng)用上仍存在一些弊端：
1、過充電時(shí)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(dǎo)致首次充放電效率較低，不可逆容量較大;
3、即碳材料的平臺(tái)電壓較低(接近于金屬鋰)，并且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)勢：
1、它為零應(yīng)變材料，循環(huán)性能好;
2、放電電壓平穩(wěn)，而且電解液不致發(fā)生分解，提高鋰電池安全性能;
3、與炭負(fù)極材料相比，鈦酸鋰具有高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)(為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)生鋰晶枝，為保障鋰電池的安全提供了基礎(chǔ)。
缺點(diǎn)
1、相對(duì)其他類型的鋰離子動(dòng)力電池能量密度會(huì)低一些。
2、脹氣問題一直阻礙著鈦酸鋰電池的應(yīng)用。
3、相對(duì)其他類型的鋰離子動(dòng)力電池價(jià)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(huì)逐漸增大。
應(yīng)用在電動(dòng)車上的優(yōu)缺點(diǎn)
能量密度低是其最為突出的問題，所以更適合于一些特種的電動(dòng)汽車的用途，想讓汽車跑遠(yuǎn)點(diǎn)的都請(qǐng)忽略它。
容量不低，175mAh/g，但是這只是容量，不是能量，電壓乘以電量得到的才是能量。此材料電壓是1.5V，OK。問題來了，這個(gè)材料倒是既可以做正極，也可以做負(fù)極。如果做正極的話，那基本就要和石墨負(fù)極配，得到的電池基本就是1.5V的電池(一般鋰電池，3.4，3.7V的都有，現(xiàn)在好像還有4V的)。但是這也太搓了，電壓如此低，得到的電池能量密度也比較慘，看看電壓差別，就知道，能量密度起碼跌一半。你們整天嫌電動(dòng)車跑不遠(yuǎn)，就是因?yàn)殡姵啬芰棵芏炔?，你再看看它?/div>
還沒完，它如果做正極，先充電的話要嵌鋰，這就要求負(fù)極必須含鋰。一般用的負(fù)極，比如石墨，都是不含鋰的，這就要求鋰化。鋰化的石墨/硅負(fù)極這個(gè)技術(shù)似乎已經(jīng)有，不過我聽來我們這里介紹的日本專家講了講，感覺可不像是什么已經(jīng)比較成熟的技術(shù)，至少個(gè)人認(rèn)為比鈦酸鋰離實(shí)用還要遠(yuǎn)。總之，當(dāng)正極感覺十分不靠譜……
如果做負(fù)極的話，OK，這是它的本行吧。它電壓是高一點(diǎn)，不過正好與電解液穩(wěn)定共存，不會(huì)生成SEI膜。因此材料安全性不錯(cuò)，材料充放電時(shí)應(yīng)變又小，被譽(yù)為“零應(yīng)變材料”，總之壽命長，大倍率充放也比較耐受，聽說有一萬次的壽命。
但是，樹上的鳥兒成雙對(duì)~~~~~~~~，它做負(fù)極的話，與幾種正極材料配合的情況如何?電池的正負(fù)極相配是比較重要的內(nèi)容：比如這個(gè)負(fù)極特別牛，一萬次的壽命，可惜正極只能撐500下……一樣沒戲。幾種典型的正極材料，如三元(現(xiàn)在也不錯(cuò)了)，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，錳酸鋰中，磷酸鐵鋰仍然是毫無疑問的壽命最高的(雖然你們老吐槽鐵鋰這這那那)，磷酸鐵鋰的功率性能也很好(參見上次磷酸鐵鋰電池的回答)，因此個(gè)人認(rèn)為和鈦酸鋰配合還比較靠譜。
不過這種電池，電壓只有3.4-1.5=1.9V，基本還是一個(gè)慘(普通磷酸鐵鋰電池，以石墨為負(fù)極，3.3V左右的電壓)。能量密度也相應(yīng)的非常寒磣。
總之，鈦酸鋰這個(gè)材料，要么電壓再低點(diǎn)(當(dāng)負(fù)極)，要么電壓再高一點(diǎn)(牛B無敵新正極)，可能境遇都要好很多。
此外，這個(gè)材料價(jià)格貴是肯定的(RMB/kg)，畢竟鈦不是什么特別便宜的東西，你再便宜能有錳鐵便宜?再加上能量密度低(WH/kg)，所以算單位能量(RMB/WH)的價(jià)格時(shí)，只會(huì)更缺乏競爭力。(你們天天嫌電動(dòng)車貴)說來說去，其實(shí)人家也有優(yōu)點(diǎn)，材料穩(wěn)定，安全，大倍率功率性能良好，因此對(duì)于“快充” “功率型”用途，一定是比較適合的，這一點(diǎn)沒有問題，人家沒撒謊。
但是，這種功率型用途是靠犧牲能量密度得來的，以前裝100kg電池，現(xiàn)在如果還想跑那么遠(yuǎn)，就要裝200kg……所以相應(yīng)的也就做了一些調(diào)整，比如就少裝電池，然后跑一趟充一次，每次都快充。 其實(shí)我覺得，這也算是一種成功的運(yùn)行模式。只不過真的得把單位能量(RMB/WH)的價(jià)格這筆賬算清楚，畢竟受認(rèn)可的產(chǎn)品，成本一定得有點(diǎn)競爭力，而在這點(diǎn)上鈦酸鋰好像不太樂觀?！ ∨c碳負(fù)極材料相比，鈦酸鋰具有較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，可高倍率充放電。在大大縮短充電時(shí)間的同時(shí)，對(duì)循環(huán)壽命的影響較小，熱穩(wěn)定性也較強(qiáng)。據(jù)測試，最新技術(shù)研發(fā)的鈦酸鋰電池十分鐘左右即可充滿，比傳統(tǒng)的電池有了質(zhì)的飛躍。
充電時(shí)間太長一直是電動(dòng)汽車發(fā)展過程中難以跨越的障礙。一般采用慢充的純電動(dòng)公交車，充電時(shí)間至少要4個(gè)小時(shí)以上，很多純電動(dòng)乘用車的充電時(shí)間更是長達(dá)8個(gè)小時(shí)。電動(dòng)車輛的快速充電是未來的趨勢，消費(fèi)者不愿浪費(fèi)太多時(shí)間在等待充電這個(gè)環(huán)節(jié)。
鈦酸鋰電池缺點(diǎn)
鈦酸鋰電池負(fù)極采用鈦酸鋰，相比負(fù)極用石墨的主流鋰電池，市場份額十分小眾。資料顯示，在新能源客車中，鈦酸鋰電池的市場份額占比約為3%，遠(yuǎn)低于磷酸鐵鋰電池88%的市場份額;而在乘用車領(lǐng)域，鈦酸鋰電池則和其他少數(shù)派技術(shù)一起，分享著3%的市場空間。
鈦酸鋰電池為何沒有成為主流？造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾種因素：
1、至于鈦酸鋰電池宣稱的使用壽命長，更難被認(rèn)證。電池壽命還受到正極材料、電解液、隔膜、使用溫度等綜合影響。鈦酸鋰做負(fù)極，本身也存在脹氣和長時(shí)間使用一致性降低等問題，目前原理上也不能證明太酸鋰電池會(huì)比其他電池壽命長。目前磷酸鐵鋰、三元電池，循環(huán)壽命已經(jīng)可以做到2000次以上，按一般等使用頻率看，已經(jīng)可以做到7-10年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，存在3000次、4000次也不會(huì)太遙遠(yuǎn)，局勢從性能上，已經(jīng)可以使用超過10年甚至達(dá)到20年的使用壽命，將超過汽車的一般的生命周期。鈦酸鋰電池即使做到了長壽命，也沒優(yōu)勢。
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