鈦酸鋰電池工作反應(yīng)原理

鈦酸鋰電池由正、負(fù)極板（正極活性物質(zhì)為三元鋰，負(fù)極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，隔膜、電解質(zhì)提供Li的傳輸通道，極耳起到引導(dǎo)電流的作用。

電池充電時(shí)，Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場(chǎng)力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負(fù)極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時(shí)，電子流通過(guò)正極的鋁箱，經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的鋁箔電極，再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負(fù)極，使電荷達(dá)至平衡。

電池放電時(shí)，Li從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再經(jīng)電解質(zhì)遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到三元鋰正極，使電荷達(dá)至平衡。

由此可見(jiàn)，鈦酸鋰電池基本原理，就是在充、放電的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回的嵌脫，完成電池的充放電和向負(fù)載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖所示：

電池充電時(shí)，止極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負(fù)極中；負(fù)極嵌入鋰離子的同時(shí)得到電子成為富鋰態(tài)。放電時(shí)的過(guò)程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)過(guò)程中，鈦酸鋰（Li4Ti5012）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對(duì)材料結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，因此被稱(chēng)作“零應(yīng)變”材料，從而保證了其良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)一—Li7Ti5012與Li4Ti3012。產(chǎn)生Li7Ti5012的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5012的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu)，且晶格常數(shù)變化很小，同時(shí)體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來(lái)回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來(lái)容量的衰減，使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

鈦酸鋰電池的電化學(xué)反應(yīng)方程式：

正極反應(yīng)：LiNi?Mn?Co?02 → LiNi?Mn?Co?02 + xLi﹢ + xe﹣

負(fù)極反應(yīng)：Li4Ti5012 + xLi﹢ + xe- →Li4 + xTi5012

總化學(xué)反應(yīng)方程式：

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