锂离子电池负极材料

Li4Ti5O12 研究现状

　　摘

 要:锂离子电池负极材料是制约锂离子电池性能的重要因素。目前锂离子电池广泛采

用的石墨类碳负极材料

,不可逆容量损失较大,而且存在安全性问题。Li4Ti5O12 作为锂离子

电池负极材料时不存在上述问题

,并且在充放电时结构几乎不发生变化,被称为“零应变”材料,

具有非常优越的循环性能

,因而引起很多科研工作者的兴趣。该文对比了碳负极材料和

Li4Ti5O12 负极材料的性能,并简要介绍了 Li4Ti5O12 电极的制备方法和锂离子电池的应用
前景。

 

　　关键词

:Li4Ti5O12;锂离子电池;负极材料;制备 

　　

 

　　目前商用锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳

/石墨材料。但是,这种电池在高功率

脉冲充电时固有的安全性也令人存在一些担心

[1]。同时,锂离子在反复地插入和脱嵌过程中,

使碳材料结构受到破坏

,从而导致容量的衰减。Ohzuku 等研究表明,Li4Ti5O12 作为锂离子电

池负极材料

,在充放电时,锂离子插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响,因此称为“零应变”电

极材料

,并且在 100 次充放电循环后,容量损失非常小。因此,Li4Ti5O12 作为锂离子电池负极

材料得到广泛的研究。

 

　　一、锂离子电池的发展前景

 

　　近

20 年来,随着交通、通讯和信息产业的迅猛发展,电动汽车、笔记本电脑和移动通讯工

具等产品对发展新型化学电源提出了更高且十分迫切的要求。开发新型二次绿色电池己成为
必然的需求。应运而生的锂离子电池和传统的二次电池相比

,由于具有高的能量密度、功率密

度、工作电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、无污染等独特优势

,迅速发展成一种

最重要和最先进的二次电池。己成为摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电
子装置小型轻量化的理想电源

,也是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选电源。 

　　二、碳

/石墨负极材料 

　　目前商业化锂离子电池中大多采用碳电极作负极材料。但由于插锂后碳电极的电位与金
属锂的电位很接近

,而且大多数的电解液在此电位下不稳定,电解质易在电极表面分解。所以,

当电池过充时

,碳电极表面易析出非常活泼的金属锂,它可能会刺穿隔膜造成短路的危险,以

及高温时的热失控。

 

　　三、

Li4Ti5O12 负极材料 

　　

Li4Ti5O12 相对于锂电极的电位为 1.55V,理论比容量为 175mAh/g,实验比容量为 150～

160mAh/g。在 Li+嵌入或脱出过程中,晶型不发生变化,体积变化小于 1%,因此被称为“零应变
材料

”,这具有重要意义,能够避免充放电循环中,由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏,

从而提高电极的循环性能和使用寿命

,减少了随循环次数增加而带来比容量大幅度的衰减,而

且制备

Li4Ti5O12 的原料来源比较丰富,使 Li4Ti5O12 的具有比碳更优良的性能。Li4Ti5O12

作为负极材料与

LiCo02,LiMn2O4,LiNi02 和活性炭等可以组成锂离子电池、全固态电池、混

合型超级电容器

,表现出良好性能。合成方法有传统固相反应法、高能球磨法[7]、溶胶-凝胶法

等。

 

　　

(一)固相法 

　　固相法操作简单

,对设备要求低,适用于大规模生产,因此在很多研究中,Li4Ti5O12 是通

过固相反应合成。固相法合成的主要缺点是产物颗粒不均匀、晶形不规则、粒径分布范围广、
合成周期长、化学计量难控制。其制备方法主要是将

TiO2 和 Li2CO3 按照化学计量比混合,在

球磨机中研磨数小时

,充分混匀后在高温炉中加热处理,得到纯度较低、颗粒不均匀的

Li4Ti5O12。 
　　

(二)溶胶-凝胶法