尖晶石钛酸锂及其在锂离子动力电池中的应用

摘要：作为一种新型锂离子电池负极材料，尖晶石钛酸锂（

Li4Ti5O12）具有使用寿命长、安全性高和热

稳定性好等特点，因此被作为锂离子动力电池的负极材料而广泛研究。本文对

Li4Ti5O12 的研发现状及应

用情况做了介绍，并对

Li4Ti5O12 的研发应用方向做了展望，认为目前 Li4Ti5O12 的主要研究方向是提

高倍率性能，包覆碳是提高倍率性能的有效途径。应用方面，在未来几年

Li4Ti5O12 电池最有可能作为

HEV 动力电池率先得到应用。

关键词：钛酸锂；锂离子电池；动力电池；应用

Abstract: As a new anode material for lithium ion battery, the spinel lithium titanate, 
Li4Ti5O12, has excellent performance for its long cycle life, high safety and good thermal 
stability. So it was widely researched as anode materials of lithium ion battery. In this 
paper, current status of Li4Ti5O12 research & development and application is introduced, 
and development trends are prospected. We think that the main research direction of 
lithium titanate is high rate capability, carbon coating is an effective way. In the coming 
years, Li4Ti5O12 battery most likely will be firstly applied in HEV.

Key words: lithium titanate, lithium-ion battery, traction battery, application

1 引言

　　随着便携式电子设备、混合动力车、电动汽车以及空间技术等的迅猛发展，二次电池在比容量、循环寿

命、安全性等方面提出了更高的要求。改进和提高电池的电化学性能可从电极材料等方面入手。

　　目前商品化的锂离子电池负极材料大多是嵌锂碳材料，由于嵌锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接

近，当电池过充时，碳电极表面易析出金属锂，它与电解液反应产生可燃气体混合物，因而给电池、特别

是动力电池造成很大的安全隐患。同时，石墨电极还存在电解液的共嵌入问题，这也将影响电极的循环稳

定性。因此，寻找比碳负极在稍正的电位下嵌入锂、廉价易得、安全可靠的新型负极材料是必要的。其中低电

位过渡金属氧化物及复合氧化物作为锂离子电池的负极材料引起了人们的广泛注意，

Li4Ti5O12 是其中

广受关注的材料之一。

　　

Li4Ti5O12 为白色物质，不导电，在空气中能稳定存在。Li4Ti5O12 为尖晶石结构，空间群为

Fd3m，其中 O2-离子构成 FCC 点阵，位于 32e 的位置，部分 Li 位于 8a 的四面体间隙中，同时部分 Li 

和

Ti4 位于 16d 的八面体间隙中,其结构式可写为[Li]8a[Li1/3Ti5/3]16d[O4]32e，晶格常数 a = 

0.8364mm。

　　

Li4Ti5O12 相对于锂电极的电位为 1.55V，理论比容量为 175mAh/g，实际比容量 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，使

Li4Ti5O12 具有比碳负极更

优良的循环性能。在

25℃下，Li4Ti5O12 的化学扩散系数为 2×10-8cm2/s，比碳负极材料中的扩散系

数大一个数量级，高的扩散系数使得该负极材料可以快速、多循环充放电。