チタン酸リチウム電池の原理と組成の紹介

チタン酸リチウム電池の原理

チタン酸リチウム電池は、正極板と負極板（正極活物質は三元リチウム、負極はチタン酸リチウム）、セパレーター、電解質、タブ、ステンレス鋼（アルミニウム合金）アウターケーシングで構成されています。 。正極板と負極板は電気化学反応の領域です。ダイヤフラムと電解質はLi +の伝送チャネルを提供し、タブは電流をガイドするように機能します。

電池が充電されると、Li +は三元リチウム材料から結晶表面に移動し、正極材料から分離されます。電界力の作用下で、それは電解質に入り、セパレーターを通過し、次に電解質を通って負のチタン酸リチウム結晶に移動します。次に、表面は負のチタン酸リチウムスピネル構造材料に埋め込まれます。同時に、電子の流れは正極のアルミ箔を通過し、電極、電池極、負荷、負極、負極を通って負極のアルミ箔電極に流れる。導電体を通ってチタン酸リチウム負極に流れ、電荷のバランスを取ります。

バッテリーが放電すると、Li +はチタン酸リチウムスピネル構造材料から脱インターカレートされ、電解質に入り、セパレーターを通過し、電解質を通って三元リチウム結晶の表面に移動し、三元リチウムに再埋め込まれます。素材。同時に、電子は導電体を通って負極のアルミ箔電極に流れ、電極、負極柱、負荷、正極、正極を通って負極のアルミ箔電極に流れる。電池の正極、次に導電体を通って三元リチウム正極に流れます。充電のバランスを保ちます。

チタン酸リチウム電池の基本原理は、充電と放電の過程で、対応するリチウムイオンが正極と負極の間に挿入および除去され、電池の充電と放電、および電力の供給が完了することであることがわかります。負荷に。チタン酸リチウム電池の充電と放電の図を図に示します。

バッテリーが充電されると、正極は電子を失い、リチウムイオンが溶出し、負極に埋め込まれます。負極にリチウムイオンが挿入されている間、電子はリチウムに富むようになります。放電のプロセスは正反対です。チタン酸リチウム（Li4TI5O12）は、Li +のインターカレーションまたはデインターカレーション中の理想的な埋め込み電極材料です。 Li +の挿入とデインターカレーションは、材料構造にほとんど影響を与えないため、「ゼロひずみ」材料と呼ばれます。良好なサイクル性能を保証します。

チタン酸リチウムには、分子構造の2つの異なるフェーズ（Li7TI5O12とLi4TI5O12）があります。 Li7TI5O12の結晶構造とLi4Ti5O12の結晶構造はどちらもスピネル構造であり、格子定数の変化は少なく、体積変化も小さい。それは、構造の破壊につながる充電および放電サイクルにおける電極材料の構造を回避することができ、それによって電極のサイクル性能および耐用年数を改善し、サイクル数の増加によって引き起こされる容量減衰を低減する。 、チタン酸リチウムを作ることは優れたサイクル性能を持っています。 。

チタン酸リチウム電池の構造

正極：リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウムまたは三元材料、酸化リチウムニッケルマンガン。

負極：チタン酸リチウム材料。

ダイヤフラム：負極としてカーボンを使用したリチウム電池セパレーター。

電解質：負極として炭素を使用するリチウム電池電解質。

電池ケース：カーボンを負極とするリチウム電池ケース。

チタン酸リチウム電池の利点

チタン酸リチウム電池は、容量が小さく、軽量で、エネルギー密度が高く、シール性能が高く、漏れがなく、メモリー効果がなく、自己放電率が低く、急速な充電と放電、長いサイクル寿命、広い動作温度範囲、安全で安定したグリーン環境を備えています。などなど、通信電力の分野で非常に幅広いアプリケーションの見通しがあります。

チタン酸リチウムを負極材料として使用する場合、電位プラットフォームは1.55Vと高く、これは従来のグラファイト負極材料よりも1V以上高い。一部のエネルギー密度は失われますが、それはバッテリーがより安全であることを意味します。技術専門家のLuLuはかつて、バッテリーが急速に充電されるときはバッテリーを低くする必要があると言いました。ただし、低すぎると、リチウム電池は非常に活性の高い金属リチウムを容易に沈殿させます。このリチウムイオンは導電性であるだけでなく、電解質とも反応します。熱を放出し、可燃性ガスを発生させ、火災を引き起こします。チタン酸リチウムは、1Vの高電圧が0の負電圧を回避するため、リチウムイオンの沈殿を回避し、バッテリーの安全性を確保します。

チタン酸リチウム電池は、高温・低温環境で安全に使用できるため、耐熱性（特に低温）が広いという重要なメリットもあります。現在、Yinlongチタン酸リチウム電池の安全な動作温度範囲は-50度から65度の間ですが、通常のグラファイトベースの負極電池は、温度が-20度より低くなると減衰し始め、充電容量はわずか-30度。総充電容量の14％は、寒い天候では適切に機能しません。また、チタン酸リチウム電池は、過充電しても体積変化が1％しかないため、ゼロひずみ材料と呼ばれ、非常に長寿命です。 YinlongのYincangWei会長はかつて、Yinlongチタン酸リチウム電池の寿命は自動車の耐用年数に相当する30年に達する可能性があると述べましたが、通常の黒鉛陽極材料電池の平均寿命はわずか3〜4年です。チタン酸リチウム電池は、ライフサイクルの観点から安価です。

チタン酸リチウムの最後の利点は、その高速充電および放電能力と高い充電率です。現在、Yinlongチタン酸リチウム電池の充電率は10Cまたは20Cですが、通常のグラファイトアノード材料の電池充電倍率はわずか2C-4Cです。チタン酸リチウム電池のこれらの技術的特性に基づいて、業界はそれが新しいエネルギーバスと大規模なエネルギー貯蔵装置のニーズを満たすと信じています。

チタン酸リチウム電池のデメリット

しかし、優れた安全性能によりチタン酸リチウム電池の研究はホットスポットになりますが、Li4Ti5O12材料自体の電子伝導率（10-13S / cm）とリチウムイオン拡散係数（10-10〜10-13cm2 / S）は低くなります。大倍率の充電と放電の適用を大幅に制限します。一部の学者は、Li4Ti5O12のナノメートルの粒子サイズが有効反応領域を拡大し、拡散距離を短縮できることを示しています。これにより、材料の速度性能が大幅に向上します。しかし、材料のナノマテリアライズのプロセスは困難であり、高コストを必要とすることが多く、現在、大規模な工業生産を達成することは困難であることに注意する必要があります。

チタン酸リチウム電池は、サイクル中にガスを継続的に生成します。これにより、特に高温で電池が膨らみ、正極と負極の接触に影響を与え、電池のインピーダンスが増加し、電池の性能に影響を与えます。これは、電池のカソード材料としてチタン酸リチウムを広く使用する上での主な障害の1つです。

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