尖晶石型鈦酸鋰在鋰離子電池工業(yè)化應用中的挑戰(zhàn)

日前，基于鈦酸鋰的功率型動力鋰電池因其快充特性好，特別是董明珠攜手王健林投資了鈦酸鋰電池以后，得到眾多資本關注。但是鈦酸鋰電池的能量密度偏低，無法滿足我國新能源汽車發(fā)展需要，鈦酸鋰電池的工業(yè)化應用目前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。最近，上海交通大學馬紫峰教授與其博士后袁濤等人對鈦酸鋰電池在鋰離子電池工業(yè)應用中存在的問題進行全面綜述，以“Challenges of Spinel Li4Ti5O12 for Lithium-Ion Battery Industrial Applications”為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上。

鈦酸鋰電池存在的主要挑戰(zhàn)主要包括，如何提高鈦酸鋰的電子電導率及其快速充電響應、如何進一步提高鈦酸鋰電極的理論容量、如何解決鈦酸鋰界面化學引發(fā)的脹氣問題，以及如何優(yōu)化設計全電池以實現鈦酸鋰的優(yōu)勢等。作者綜述了近三年鈦酸鋰負極材料的相關文獻，針對上述應用的挑戰(zhàn)提出了性能優(yōu)化策略、反應界面的穩(wěn)定性和全電池設計的觀點和建議，為今后鈦酸鋰電池的研究和工業(yè)發(fā)展指出了方向。

在鈦酸鋰電極的性能優(yōu)化策略中，從碳修飾、形貌控制、元素摻雜、雜質相復合、電池過放（放電電位接近0V）這五個方面進行闡述。對于碳修飾改性，分析了無機碳源和有機碳源對鈦酸鋰改性的不同影響（圖1），雖然無機碳源通常具有較高的電子電導率，但是需要先進的碳源（碳納米管或石墨烯等）以及合適的制備方法保證其與鈦酸鋰分散均勻，否則不僅不能有效提高鈦酸鋰的高倍率性能，還可能造成電極表面電流分布不均衡，而產生更嚴重的安全問題。有機碳源雖然能夠更加均勻地包覆在鈦酸鋰顆粒表面，但是仍需要對其裂解后得到的碳電導率及其成本價格進行合理選擇。對于形貌控制，納米級的鈦酸鋰材料無疑表現出更好的倍率性能，但是考慮到工業(yè)化高振實密度的要求，認為一次粒徑納米級、二次粒徑微米級的多層級近球形結構是最佳形貌。合理的元素摻雜和雜質相復合可以改變Li原子在晶格中的位置以及Ti元素的價態(tài)進而提高鈦酸鋰的倍率性能。有一些摻雜還可以提高鈦酸鋰的理論容量，例如較大半徑的離子（Na+、K+、Gd3+、Zr4+、Ta5+、V5+等）摻雜在Li位和Ti位，可以通過擴大晶胞系數而容納更多的Li。另外，把鈦酸鋰的放電截止電位從1V下降到0V，也可以使其理論容量從175mAh/g增加到250mAh/g，但是會犧牲鈦酸鋰優(yōu)良的循環(huán)性能。作者在文中舉例并提出，多種優(yōu)化策略的協同作用能夠更好的提高鈦酸鋰電池的理論容量和倍率性能。

圖1 無機碳源和有機碳源制備碳包覆鈦酸鋰復合材料對比示意圖

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