基于钛酸锂作为锂离子电池负极材料的研究进展

赵程　邱慧敏　陈建民

【摘 要】当今世界社会的飞速发展伴随着人类对能源的高需求，而世界上的不可再生能源会逐渐呈现匮乏的状态。人类必须要研制出新的可再生能源，才以长期满足人类对能源的高需求，人类社会也才会获得长远的发展。近些年来，一种新型的、性能较高的电池出现在人们的视野中，并且很快的得到了利用，它便是可充电的锂离子电池，它具有充电速度快、使用寿命长、高能量、清洁无污染等方面的特点。钛酸锂作为锂离子电池负极材料，在充电或者使用放电时，不会出现结构改变的现象，不会与电解质发生反应。与其他碳负极材料相比，其安全性和化学性能都更胜一筹。本文详细介绍了钛酸锂的一些基本情况，重点分析其制备方法及其利弊，简单的概述其发展前景。

【关键词】钛酸锂；合成；负极材料；锂离子电池

1 锂离子电池发展概况

近十年来锂离子电池作为一种新型的充电电池迅速发展起来，它具备电池产业发展的优势，被称之为“最有前途的化学电源”，锂离子电池是在锂二次电池为基础上发展起来的技术锂电池。在过去的30年里，锂离子电池的生产制造技术基本趋于成熟的状态。很快的被应用于我国的军事方面，近30年来锂离子一次电池的生产技术己基本成熟，但就锂二次电池的安全性能方面的问题来说，我们还需要采取行之有效的技术措施加以解决。中国作为发展中国家，在锂离子电池的产业开发与应用上是发展中国家中最早的。经过近些年的发展，结合国家颁布的相关指导性政策、地理位置的优越性、自然资源的丰富性等，中国锂离子电池的发展呈现势如破竹的气势。[1]锂离子电池的产业结构、生产链都日趋完善，专业化程度高，在产品的性能方面也取得了长足的进步，逐渐成为世界上发达国家的竞争对手，这也表明随着信息技术的高速发展，小型的、易携带的、高性能的锂离子电池的需求量将大大增加。由于现在消费者在工作、生活上的需求，其对于电子产品的需求量也逐渐加大，锂电池行业在中国未来的几年中将得到持续高速的发展。

2 钛酸锂在锂离子电池应用中的一些基本情况

由于锂离子电池安全性能高、使用寿命长、方便携带等特点使其在电子产品制造领域中占据着非常重要的地位。国内外与新能源和材料学相关的科学领域对电解质、电极材料、隔膜等辅助材料进行了较深入的研究，这是在研究锂离子电池过程中所必须要经历的过程，也是必须要进行研究的内容。锂离子电池将得到更长远的发展，因其制造环节得到很大的突破以及科学家对电化学和材料科学有非常深入的研究。在我们已了解的锂离子电池中，碳材料因其良好的循环性能、低倍率性能成为锂离子电池中应用最早且最广泛的负极材料，但因其理论容量低，在低电压下容易出现枝晶形成电池内部的短路效应，使其充电和放电时的安全性大大降低。[2]所以碳材料难以被应用到功率大的电器领域；金属氧化物成为锂离子电池负极材料，在充放电时，电压会有一些的提高，其可逆容量很高，但其充放电时的机理非常复杂，从而造成不可逆容量的损失。另外，它的体积变化概率非常大，影响其循环性能，很难在商品中得到广泛应用；氮化物因其可逆容量非常高，循环性能非常好的特点在锂离子电池负极材料中得到应用，但其制备过程异常繁杂，且生产成本很高，不适用与大批量的生产和利用。而现在应用于锂离子电池负极材料的钛酸锂拥有尖晶石结构，被称为“零应变材料”。它提高了电池在充放电时的电压，且体积效应较小，其倍率性能、循环性能、安全性都明显高于碳负极材料。能适用于在大电流下快速的充电或者放电。而用来制作钛酸锂的材料来源非常之广泛，对环境的保护非常好，且资源十分丰富。

3 钛酸锂的制备方法

可以说一个材料最终的性能好坏是由该种材料的制备方法来决定的。较为传统的尖晶石型钛酸锂制备方法主要是高温固相法、熔盐法和溶胶凝胶法，负极材料在微观结构上的改善及宏观性能上的提升与其制备方法有着直接的关系。制备方法的不同会使化合物的内在结构、粒子的形状、表面积、化学性质等发生相应的变化。

3.1 高温固相法

高温固相法的操作步骤比较简单，在工业生产中非常的便利，可以快速的进行生产。但是此种方法也有其弊端，首先，用该种方法制作钛酸锂时合成温度要非常高；其次，它烧结所需耗费的时间非常长且消耗能量非常多，导致其生产效率比较低下；最后，难以控制化合物内部的粒径分布，因此其一致性、均匀性、重现性都比较差。[3]具体的合成方法是按照特定物质的量比将Li2CO3和TiO2分散在水中或者有机溶剂中，利用高温去除溶剂，然后在正常的环境下用800至1000摄氏度的高温进行烧结，持续3至24小时，最后待炉温冷却下来，可以得到我们理想中的且是尖晶石结构的钛酸锂。

3.2 溶胶凝胶法

利用溶胶凝胶方法制备的材料具有非常明显的优势，比如制备时合成温度比较低，合成时间比较短，产物分布窄、比表面积大、均一性好等。溶胶凝胶法在试验中应用比较广泛并且在以往的试验中得到了比较好的成绩，取得了显著地效果。

3.3 熔盐法与之前所介绍的高温固相法有很大的不同，熔盐法中的加热溶剂是LiCl。通过对LiCl的量和加热时间进行控制，能够对产物粒度起到很好的作用。将TiO2、LiCl、和Li2CO3充分的混在一起，再使用不同温度进行加热，之后会得到相应的产物，将得到的产物放在去离子水中加以浸泡，就能去除少量残留在化合物中的LiCl，此后将其置于120摄氏度下，使其干燥并持续12小时，就能得到粒度不同的目标产物钛酸锂。

4 结语

尖晶石结构的钛酸锂（Li4Ti5012）是一种“零应变”材料，它的安全性能、循环性能、倍率性能非常优异，这使其在锂离子电池负极材料中占据主导地位，是锂离子电池最为理想的一种负极材料。虽然其自身也存在着一些问题，如导电性能差、高倍率性能较快衰减等问题，在一定程度上限制着钛酸锂的发展。但其绿色环保、稳定使其能够适应当今社会的发展趋势。在未来，钛酸锂将会被广泛应用在电动汽车、储能电池、动力汽车等领域，为人类社会的发展进步提供更大的支持。

【参考文献】

[1]董丽娜，王春苹，刘园，郑晓冬.球形多孔钛酸锂/导电碳复合材料的制备及其作为锂离子电池负极材料的倍率性能研究5[J].化学工程与装备，2014，02：45-48.

[2]袁华，何云蔚，艾常春.钛酸锂作为锂离子电池负极材料的改性进展[J].武汉工程大学学报，2014，08：20-26.

[3]罗银燕，李燕楠，邢琳.锂离子电池负极材料钛酸锂研究进展[J].科技视界，2015，28：27+33.

[责任编辑：汤静]