鈦酸鋰電池特性

鈦酸鋰電池特性目錄目錄 錯(cuò)誤!未定義書簽。1背景 錯(cuò)誤!未定義書簽2鈦酸鋰結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)原理 錯(cuò)誤!未定義書簽3特性曲線 錯(cuò)誤!未定義書簽3.1充放電曲線 錯(cuò)誤!未定義書簽3.2倍率特性 錯(cuò)誤!未定義書簽3.3溫度特性 錯(cuò)誤!未定義書簽3.4循環(huán)特性 錯(cuò)誤!未定義書簽4總結(jié) 錯(cuò)誤!未定義書簽參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。1背景鈦酸鋰一般作為鋰離子電池負(fù)極材料使用，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。此外，它還可以用作正極，與金屬鋰或鋰合金負(fù)極組成1.5V的鋰二次電池。由于鈦酸鋰的高安全性、高穩(wěn)定性、超長壽命和綠色環(huán)保等特點(diǎn)?？梢灶A(yù)見：鈦酸鋰材料隨著技術(shù)進(jìn)步，將成為新一代鋰離子電池的負(fù)極材料，被廣泛應(yīng)用在新能源汽車、觀光車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長周期儲能等領(lǐng)域。2鈦酸鋰結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)原理純相Li4Ti5O12晶體為白色固體，具有面心立方尖晶石結(jié)構(gòu)，常用化合物分子式為AM2O4，空間群Fd3m，晶胞參數(shù)a為0.836nm。在充電態(tài)當(dāng)鋰離子嵌入時(shí)（見圖1）,嵌入的3個(gè)鋰離子將匯合原來8a四面體位置的鋰一起遷移到原先空缺的16c六配位八面體位，其晶胞體積在3個(gè)鋰離子的嵌入前后幾乎沒有變化，a值從0.836nm增加到0.837nm。因此Li4Ti5O12這種被稱為“零應(yīng)變”負(fù)極材料的循環(huán)壽命是超長的。根據(jù)每個(gè)超結(jié)構(gòu)可嵌人3個(gè)鋰離子來計(jì)算，Li4Ti5O12的理論可逆比容量為175mAh/g。Li4Ti5O12嵌鋰電位比金屬Li的電位要高1.55V，在負(fù)極上形成鋰枝晶幾乎無可能，從而避免了大部分鋰離子電池在負(fù)極上形成鋰枝晶導(dǎo)致內(nèi)部短路的安全隱患。犠曲fLi廂干犠曲fLi廂干3Lf+3eLi/rinO,圖1充、放電態(tài)鈦酸鋰結(jié)構(gòu)示意圖左圖為在放電態(tài)的鈦酸鋰晶胞，其中小球?yàn)長i原子在8a四面體位;右圖為在充電態(tài)的鈦酸鋰晶胞，其中Li在16c八面體位.3特性曲線NCM-Li4Ti5O12體系電池標(biāo)稱電壓為2.3V,研究鈦酸鋰電池一般從充放電曲線、倍率特性、溫度特性、循環(huán)特性等不同角度來考慮，以下是相關(guān)的特性曲線。3.1充放電曲線

從電池標(biāo)準(zhǔn)充放電曲線可以了解電池最基本的輸入/輸出電壓、電量等特性，可以初步判斷電池能否滿足負(fù)載的需求。某品牌鈦酸鋰電池按照其規(guī)格書說明，以1C電流對其進(jìn)行室溫下的標(biāo)準(zhǔn)充放電，充放電電壓范圍為1.5V?2.8V,所得充放電曲線如圖2所示。圖2電池標(biāo)準(zhǔn)充放電曲線從圖2可知電池1C電流下所得電池充電容量為53.9Ah，放電容量為53.9Ah，充放電庫倫效率為100%,在2.2V?2.4V范圍內(nèi)出現(xiàn)充電電壓平臺，在2.1V?2.3V范圍內(nèi)出現(xiàn)放電電壓平臺。以上鈦酸鋰電池特性與文獻(xiàn)1報(bào)道的一致，見圖3。1Q334(nAh當(dāng)晉/mAh1Q334(nAh當(dāng)晉/mAh3.C1閔2.2-A?已+.+:叩1.Z<oa-皿0.4QZ-00roramcgBoaasoonicdoti?ooo圖3實(shí)驗(yàn)電池首次充放電曲線3.2倍率特性

電池的倍率特性是指不同輸入/輸出電流下電池的電壓、電量變化特征，主要用于判斷電池能否滿足負(fù)載功率需求。電池分別以0.8C、1.0C、1.2C不同倍率進(jìn)行放電，所得放電曲線如圖4所示。電池放電平臺隨放電倍率增大依次下降，說明了電池內(nèi)阻造成的電壓極化。2.82.62.42.221.81.61-401020402.82.62.42.221.81.61-40102040500.8C一1.OC 12C60圖4電池倍率放電曲線不同倍率電池充電容量數(shù)據(jù)見表1，放電倍率增大，放電容量幾乎不變，說明該電池在較低倍率電流下持續(xù)輸出功率高。表1電池倍率放電數(shù)據(jù)放電倍率0.8C1.0C1.2C容量(Ah)52.45353放電效率(以1.0C為基準(zhǔn)，%)98.87100.00100.00文獻(xiàn)1中的鈦酸鋰電池倍率性能更加突出，詳見圖5.200040006C00809010000222211111200040006C00809010000222211111oooocd?圖5實(shí)驗(yàn)電池不同放電倍率曲線3.3溫度特性考查電池的溫度特性是為了判定電池輸入/輸出是否滿足不同工作環(huán)境下負(fù)載能量需求。因條件限制，電池未進(jìn)行高低溫性能測試。根據(jù)文獻(xiàn)1報(bào)道，選取-20C、室溫、60C三個(gè)溫度點(diǎn)考察實(shí)驗(yàn)電池溫度特性，充放電電流按照1C進(jìn)行測試，其他遵循標(biāo)準(zhǔn)充放電條件。三種溫度下的充放電曲線見圖6和圖7。nxoG420SB-42ouuE42O32222211-1.110_o.nxoG420SB-42ouuE42O32222211-1.110_o.on^o.室保1啾殆務(wù)100*2D00400CeOM000010000Oss42086430?B<2O32.2.3.2.Z1.1.f.電t.o.a.da.aA、嗎襯100%IIIII1I 1I陽rm4oof]goodscan10000i?soo圖6圖6低溫下電池放電曲線圖7高溫下電池放電曲線從圖6、圖7可以看出，在-20°C低溫環(huán)境下，放電電壓平臺顯著下降，約為1.8V?2.0V放電容量為室溫下的76%；當(dāng)溫度達(dá)到60C高溫時(shí)，放電容量達(dá)到室溫的1.01倍。以上數(shù)據(jù)說明該體系鈦酸鋰電池低溫性能較好，高溫性能穩(wěn)定。3.4循環(huán)特性電池循環(huán)特性反應(yīng)了電池壽命，也是需要重點(diǎn)關(guān)注的電池特性。因條件限制，電池未進(jìn)行循環(huán)壽命測試。根據(jù)文獻(xiàn)1所述，充放電循環(huán)試驗(yàn)是采用550mAh的電池在室溫環(huán)境完成了近1000次循環(huán)試驗(yàn)。電池首次放電容量為570.2mAh,923次循環(huán)后，電池容量保持在434.5mAh，為初始容量的76.2%,循環(huán)曲線如圖8所示,圖中電池?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)的部分原因是實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的晝夜溫差變化。

4總結(jié)三元材料/鈦酸鋰體系電池作為車用動(dòng)力電池，具有2.3V的額定電壓，所測試電池有較優(yōu)的充放電倍率特性，溫