不同正極材料的鈦酸鋰基鋰離子電池性能對比及應用簡析

劉鵬 徐圣釗 趙程

フ?要：近年來，鈦酸鋰基鋰離子電池因其低溫性能好，循環壽命長，安全特性高等優勢受到了極大地關注。本文對比了以錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM）、鈷酸鋰（LCO）、磷酸鐵鋰（LFP）為正極材料的鈦酸鋰基鋰離子電池的電性能；結合市場需求，分析了不同正極體系的鈦酸鋰基鋰離子電池的應用方向。

ス丶詞：鈦酸鋰；鋰離子電池；不同正極體系；應用

隨著新能源行業的快速發展，以Li4Ti5O12（簡稱LTO）作為負極材料的鋰離子電池因其安全性高，循環壽命長，快速充放電能力強，低溫性能好［1］等優點，相比于石墨負極的鋰離子電池在某些特殊領域有著不可替代的作用。

1?實驗

ヒ32610圓柱型電池為研究對象，將正負極片經卷繞后形成極組，極組經過整形、入殼、激光焊等工序形成電池，半成品電池經過烘干、注液，化成、后處理、老化等工序完成制作，準備進行相關性能測試。電池分類如下：A（LMO）、B（NCM）、┆┆〤（LCO）、D（LFP）。

2?結果與討論

2.1?放電曲線

圖1?A、B、C和D四類電池的放電曲線

ヒ32610圓柱型電池為研究對象，LCO/LTO能量密度為80Wh/kg，NCM/LTO能量密度為75Wh/kg，LMO/LTO能量密度為55Wh/kg，LFP/LTO能量密度為47Wh/kg。

2.2?倍率放電性能

圖2?A、B、C和D四類電池的倍率放電性能

ト繽2所示常溫倍率放電性能A＞B＞C＞D。這是因為尖晶石型LMO具有立方對稱結構，鋰離子脫出嵌入速率較快，倍率性能較好；而NCM、LCO為層狀結構，Li-O層中Li+的躍遷勢壘較高，離子遷移速率較慢；LFP為橄欖石型晶體結構，其特殊結構限制了鋰離子在其晶格內的傳輸速率，并且其內部鐵氧八面體和磷氧四面體的存在導致了粉體顆粒之間的導電性極差［2］，因此倍率性能最差。

2.3?低溫放電性能

圖3?A、B、C和D四類電池的低溫放電性能

ト繽3所示低溫性能依次為A＞C＞B＞D。尖晶石型LMO為離子遷移提供了三維立體通道，離子擴散速率最快，低溫下離子電導率最高，低溫放電性能最好。層狀結構的LCO因其半導體特性，電子電導率較高［3］，并且Co-O相互作用較強，降低了Li的躍遷勢壘，有助于Li離子的遷移，因此低溫倍率性能較為優異；NCM材料克容量發揮受溫度影響極大，因此在低溫環境下并不能完全發揮三元材料高克容量的優勢；LFP因其材料特性，離子電導率及電子電導率都較低，因此低溫性能最差。

3?應用市場簡析

LMO/LTO電池的特點是功率特性好，循環性能及低溫性能較出色，可廣泛適用于例如特種車輛，風電變槳，電網調頻，軌道交通等領域。NCM/LTO電池特點是能量密度高，功率特性較好，相對于鈷酸鋰體系安全性更高，因此適用于對安全性要求較高的項目中，例如動車組備用電源系統［4］、軍用裝備等方面的應用。LCO/LTO電池相對于NCM/LTO電池能量密度有較高優勢，并且因其出色的低溫性能，可用于高寒地區免維護的儲能應用。LFP/LTO電池因其電壓平臺僅有1.9V，因此可通過增加降壓板設計，將電池整體電壓控制在1.5V，取代目前的5號電池。

ゲ慰嘉南祝

ィ1］楊春.純電動公交車蓄電池的選擇［J］.科學導報，2014.

ィ2］Zhao?B，Ran?R，Liu?M，et?al.A?comprehensive?review?of?Li4Ti5O12-based?electrodes?for?lithium-ion?batteries：The?latest?advancements?and?future?perspectives［J］.Materials?Science?&?Engineering?R?Reports，2015，98：1-71.

ィ3］Yi?T?F，Yang?S?Y，Xie?Y.Recent?advances?of?Li4Ti5O12?as?apromising?next?generation?anode?material?for?high?power?lithium-ion?batteries［J］.Journal?of?Materials?Chemistry?A，2015，3（11）：5750-5777.

ィ4］蘇劍，李紅兵.鈦酸鋰電池在動車組上的應用研究［J］.機車電傳動，2011（4）：38-40.