钛酸锂電池工作反應原理

TIME: 2019-12-01 锂電池百科

钛酸锂電池由正、負極板（正極活性物質爲三元锂，負極爲钛酸锂）、隔膜、電解質、极耳、不锈钢（铝合金）外壳等组成。正负极板是电化学反应的区域，隔膜、電解質提供Li的传输通道，极耳起到引导电流的作用。

電池充電時，Li+從三元锂材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經電解液遷移到負極钛酸锂晶體的表面，然後嵌入負極钛酸锂尖晶石結構材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箱，經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的鋁箔電極，再經導電體流到钛酸锂負極，使電荷達至平衡。

电池放电时，Li从钛酸锂尖晶石结构材料中脱嵌，进入电解液，穿过隔膜，再经電解質迁移到三元锂晶体的表面，然后重新嵌入到三元锂材料中。与此同时，电子经导电体流向负极的铝箔电极，经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极，然后再经导电体流到三元锂正极，使电荷达至平衡。

由此可見，钛酸锂電池基本原理，就是在充、放電的過程中，對應的锂離子在正負極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負載的供電。钛酸锂電池的充放電示意圖如圖所示：

電池充電時，止極失去電子，锂離子脫出，嵌入到負極中；負極嵌入锂離子的同時得到電子成爲富锂態。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應過程中，钛酸锂（Li4Ti5012）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對材料結構幾乎沒有影響，因此被稱作“零應變”材料，從而保證了其良好的循環性能。

钛酸锂存在兩種不同相的分子結構一—Li7Ti5012與Li4Ti3012。産生Li7Ti5012的晶體結構與Li4Ti5012的晶體結構均爲尖晶石結構，且晶格常數變化很小，同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環中電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞，從而提高電極的循環性能和使用壽命，減少了隨循環次數的增加而帶來容量的衰減，使钛酸锂具有優良的循環性能。

钛酸锂電池的電化學反應方程式：

正极反应：LiNi?Mn?Co?02 → LiNi?Mn?Co?02 + xLi﹢ + xe﹣

负极反应：Li4Ti5012 + xLi﹢ + xe- →Li4 + xTi5012

總化學反應方程式：

LiNi?Mn?Co?02 + Li4Ti5012 → Li1-zNi?Mn?Co?02 + Li4 + xTi5012

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