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什么叫钛酸锂电池?结构组成讲解

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2021-12-09 11:12:37   点击量:138

钛酸锂电池原理


钛酸锂电池由正、负极板(正极活性物质为三元锂,负极为钛酸锂)、隔膜、电解质、极耳、不锈钢(铝合金)外壳等组成。正负极板是电化学反应的区域,隔膜、电解质供给Li+的传输通道,极耳起到引导电流的作用。


电池充电时,Li+从三元锂材猜中迁移到晶体表面,从正极板材猜中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极钛酸锂晶体的表面,然后嵌入负极钛酸锂尖晶石结构材猜中。与此一同,电子流经过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铝箔电极,再经导电体流到钛酸锂负极,使电荷达至平衡。


电池放电时,Li+从钛酸锂尖晶石结构材猜中脱嵌,进入电解液,穿过隔膜,再经电解质迁移到三元锂晶体的表面,然后从头嵌入到三元锂材猜中。与此一同,电子经导电体流向负极的铝箔电极,经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极,然后再经导电体流到三元锂正极,使电荷达至平衡。


由此可见,钛酸锂电池基本原理,便是在充、放电的进程中,对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱,完结电池的充放电和向负载的供电。钛酸锂电池的充放电示意图如图所示。


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


电池充电时,正极失掉电子,锂离子脱出,嵌入到负极中;负极嵌入锂离子的一同得到电子成为富锂态。放电时的进程正好相反。在Li+嵌入或脱嵌的反应进程中,钛酸锂(Li4TI5O12)是一种志向的嵌入型电极材料,Li+插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响,因此被称作“零应变”材料,然后保证了其杰出的循环功用。


钛酸锂存在两种不同相的分子结构——Li7TI5O12与Li4TI5O12。产生Li7TI5O12的晶体结构与Li4Ti5O12的晶体结构均为尖晶石结构,且晶格常数变化很小,一同体积变化也很小。可以避免充放电循环中电极材料的来回弹性而导致结构的损坏,然后提高电极的循环功用和运用寿数,减少了随循环次数的添加而带来容量的衰减,使钛酸锂具有优秀的循环功用。


钛酸锂电池的电化学反应方程式:


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


总化学反应方程式:


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


钛酸锂电池的结构组成


正极:磷酸铁锂、锰酸锂或三元材料、镍锰酸锂。


负极:钛酸锂材料。


隔膜:以碳作负极的锂电池隔膜。


电解液:以碳作负极的锂电池电解液。


电池壳:以碳作负极的锂电池壳。


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


钛酸锂电池长处


钛酸锂电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封功用好、无走漏、无回忆效应、自放电率低、充放电敏捷、循环寿数超长、作业环境温度规划宽、安全安稳绿色环保等特征,所以在通讯电源领域具有十分广泛的运用远景。


钛酸锂作为负极材料时电位途径高达1.55V,比传统石墨负极材料高出1V还多,虽然丢失了一些能量密度,但也意味着电池更加安全。技术专家卢蓝光曾标明,电池快速充电时对负极电压需求比较低,但如果过低,锂电池就简略分出十分生动的金属锂,这种锂离子不只导电,还能跟电解液起反应,然后释放热量,产生可燃气体,引发火灾。而钛酸锂因为高出来的1V电压避免了负极电压为0的状况,也就直接避免了锂离子的分出,然后保证了电池的安全性。


因为钛酸锂电池在高温、低温环境中均可以达到安全运用,也体现出其耐宽温(特别耐低温)的重要优势。现在,银隆钛酸锂电池的安全作业温度区域在-50度到65度之间,而一般石墨类负极电池在温度低于-20度时能量就开始衰减,-30度时充电容量仅为充电总容量的14%,在酷寒气候下根本无法正常作业。此外,因为钛酸锂电池即使过度充电,也仅有1%的体积变化,被称为零应变材料,这使其有着极长的寿数。银隆董事长魏银仓曾标明,银隆钛酸锂电池寿数可达30年,与轿车运用寿数适当,而一般石墨负极材料电池平均寿数不过3-4年。从全寿数周期看,钛酸锂电池本钱更低。


钛酸锂的终究一个优势是快速充放电才能强,充电倍率高。现在银隆钛酸锂电池的充电倍率有10C、乃至20C,而一般石墨负极材料的电池充电倍率仅有2C-4C。基于钛酸锂电池的这些技术特征,业内人士认为其契合了新能源公交车、大型储能装备的需求。


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


钛酸锂电池缺陷


然极佳的安全功用使得对钛酸锂离子电池的研讨成为热点,但是Li4Ti5O12材料自身的较低的电子电导率(10-13S/cm)和锂离子扩散系数(10-10~10-13cm2/S)极大地限制了在大倍率充放下的运用。有学者研讨标明,将Li4Ti5O12的颗粒标准纳米化今后可以扩大有用的反应面积和减小扩散距离,然后显著的提高材料的倍率功用。但是需求指出的是,材料颗粒纳米化的进程往往比较困难,需求较高的本钱,现在难以实现大规划的工业出产。


钛酸锂电池在循环运用中会产生持续产气,导致电池包鼓胀,高温时特别严峻,影响正负极的触摸,添加电池阻抗,影响电池功用的发挥。这也是限制负极材料钛酸锂广泛运用到电池中的首要妨碍之一。


钛酸锂电池的组成部分及结构介绍


钛酸锂电池技术开发难点及其开展方向


1.在我国开展钛酸锂电池技术的理由


钛酸锂电池技术在我国各种储能电池中的竞赛应该占有有利地势、有利地势、人和之优势。光就运用寿数而言,钛酸锂电池超长的循环寿数远胜于各类铅酸电池;其功率、本钱及电化学功用更是优于钠硫与液流钒等电池体系。


锂电产品历年来首要商场是便携式电器如手机和手提电脑等。我国的手机与手提电脑的用量虽大,但大部分都不属国内品牌。所以国内锂电厂家在便携式电器上的锂电销售才能输于日韩产品。


然而,钛酸锂技术的适用商场却是混合电动车、特殊工业运用及储能运用如调频及电网电压支撑等。这些商场在全世界尚处于起步阶段,谁执牛耳尚未可知。钛酸锂技术有望成为这些商场中的佼佼者。


我国人口基数占全世界约1/5。因为人口众多,我国的电动车、储能及工业运用商场是一个让许多国家的跨国公司所垂涎的巨大商场。近年来我国政府对电动车及储能产业的开展高度重视,各类国家鼓舞方针纷繁出台。我国产的钛酸锂电池体系在重庆及欧洲的混合电动大巴、张北的风光储演示站及深圳宝清储能电站已有了几年的商业化运用数据积累。


其他,我国锂电产业链的上下游早已成气候,除了齐备的电池材料供应与设备制作才能之外,锂电池产品的出产才能也与日、韩三分全国。这就使得我国的锂电出产厂家从传统锂电出产转型到钛酸锂电池产品出产具有了先天的条件。


我国在钛酸锂材料出产方面早已有了像四川兴能、珠海银隆、湖州微宏等既有实力又有经验的企业。在钛酸锂电池出产方面崭露头角的代表企业有湖州微宏、珠海银隆、深圳博磊达、天津捷威等。


这些企业都已经在国内外电动车及储能商场开始建立了自己的销售途径。特别值得指出的是深圳博磊达具有从材料出产到电池制作及体系集成一系列专有技术与知识产权,现在我国锂电界尚属少见的具有自主知识产权的出产厂家。


2.钛酸锂材料、电池及电池组制作的瓶颈


已然钛酸锂电池技术有许多其他锂电无法比拟的优越性,那为何至今停止在我国能源行业乃至世界能源领域运用寥寥呢?原因有以下3个方面:


①钛酸锂材料出产钛酸锂材料的出产从原则上说并不复杂。但要用作锂离子电池的负极材料,不光需求讲究材料具有适宜的比表面积、粒度、密度和电化学功用等,还必须可以习惯于大规划锂电池的出产工艺。钛酸锂材料在许多传统锂电出产线上无法正常出产的原因之一便是材料的pH为11或12,吸湿性极强。


②钛酸锂电池制作在事实上,将常规锂离子电池出产线直接用来出产钛酸锂电池产品并不像仅仅把石墨换成钛酸锂材料那样简略。因为钛酸锂材料对湿度的要求比常规锂离子电池出产要高得多。为了操控湿度,有些制备工艺需求做相应的调整以习惯钛酸锂电池产品出产的特殊要求。其他,有些出产设备也需求做相应的改进。如果有条件的话,最好能专门为钛酸锂电池产品从头设计一条结构紧凑、体积细巧、全封闭式的自动化出产线。


③钛酸锂电池组与常规锂离子电池不同,现在国内外出产的钛酸锂电池在成组投入运用一段时期后常会看到软包的单体电池内有微量的气体产生。这些气体与新鲜电池化成时产生的气体不同。前者可以经过电池出产工艺来去除。但后者则是在电池运用进程中产生的,或者说在现在的工艺条件下很难避免。


笔者认为,研讨循环时气体产生的化学反应机理应该不失为一个很好的科研标题。其他,因为钛酸锂电池技术的优越性之一是其高功率功用。虽然电池自身可以接受大电流充放电,但厚的单体电池依然不适于高功率运用因为电池太厚会造成大电流产生的热量难以散发。所以对大功率钛酸锂电池来说,标准大而薄的软包电池结构仍不失为一个合理的挑选。


3.钛酸锂技术的今后开展方向


终究,在此有必要归纳概括一下钛酸锂材料作为锂电负极的优劣势,优势:超高安全性、超长寿数、高低温作业规划宽、高功率、低本钱以及绿色环保。劣势:钛酸锂材料能量密度低、吸水性强,电池制作的环境要求高、出产工艺要做相应的更新、新工艺需求出资必要的设备与更高要求的湿度操控、以及钛酸锂电池的运用商场尚未充分翻开。

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