碳材料在鈦酸鋰負極材料中的應用

尖晶石型結構的鈦酸鋰由于具有極高的循環壽命和安全特性，被認為是目前最具應用前景的鋰離子電池負極材料之一。但鈦酸鋰的電子電導率較低，且在充放電循環過程中易產生脹氣問題，使其應用受到了極大的限制。將高導電、環境友好、化學和熱性能穩定且結構多樣的碳材料與鈦酸鋰形成復合負極材料，可有效提高材料的導電性，同時抑制脹氣，對電極材料的性能優化起到非常關鍵的作用。本文綜述了近年來碳材料在鈦酸鋰負極中的應用與研究進展，深入分析和探討了碳材料對鈦酸鋰綜合電化學性能的改善方式和改進效果，指出了不同形式的鈦酸鋰/碳復合材料在制備和應用中需要關注的問題，并對鈦酸鋰/碳復合材料未來可能的應用方向進行了展望。

引言

隨著化石能源的不斷衰竭和環境問題的日益加劇，清潔、可再生能源的開發與高效存儲成為目前全球關注的重要議題。在眾多能量存儲器件中，鋰離子電池由于具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應和環境友好等優點，自商品化以來便得到了迅速的發展和廣泛的應用。近年來，為適應新能源汽車和智能電網等大型儲能裝置需求的快速發展，開發具有高能量密度、高功率密度、優異安全性和長循環壽命的鋰離子電池成為當今儲能領域備受矚目的研究熱點。

目前已商品化的鋰離子電池負極材料仍以可在層間可逆嵌入、脫出鋰離子的碳材料(如石墨)為主，但這類材料在首次充放電時，會在其表面形成固體電解質界面(SEI)膜，造成不可逆容量損失;由于石墨的嵌鋰電位與金屬鋰接近，過充時會形成鋰枝晶而引發安全問題;石墨類材料在嵌鋰過程中還會由于體積膨脹而使活性物質間失去有效的導電接觸，造成容量損失。這些缺點限制了石墨類碳負極材料在車載和智能電網等大型鋰離子電池及動力電池領域的應用，因此，尋找比碳負極材料更安全可靠、循環壽命更長的負極材料是發展下一代鋰離子電池的關鍵。

具有尖晶石型結構的鈦酸鋰是新型的負極材料之一。與石墨負極相比，鈦酸鋰具有更高的嵌鋰電位，可有效避免金屬鋰的析出和鋰枝晶的形成。鈦酸鋰及嵌鋰態的Li7Ti5O12具有遠高于石墨的熱力學穩定性，不易引起電池的熱失控，從而具有更高的安全性。同時，鈦酸鋰在鋰離子嵌入、脫出的過程中，晶格參數幾乎不發生變化，晶體結構能夠保持高度的穩定性，是一種“零應變”材料，因此具有極為優良的循環穩定性。此外，鈦酸鋰還具有優異的低溫性能，快速充電能力，較高的性價比，因而在大規模儲能等領域具有較好的應用前景。

雖然鈦酸鋰具有上述優點，自1989年鈦酸鋰首次被用作負極材料以來，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池卻仍未獲得所預期的快速的產業化。限制鈦酸鋰規?；瘧玫闹饕蛩卦从诓牧虾推骷蓚€方面:

第一，鈦酸鋰的電子和離子電導率分別為10-13S˙cm-1和10-9-10-13cm2˙s-1，電子在鈦酸鋰中發生躍遷的能隙約為2eV，材料本征的絕緣屬性極大限制了其在大電流充放電條件下的倍率性能。

第二，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池在充放電循環和存儲過程中，普遍存在“脹氣”現象，即電池內部不斷產生氣體，特別是在高溫條件下，脹氣更為嚴重。

針對以上兩個問題，國內外研究人員開展了廣泛而深入的研究工作，包括:

(1)通過對鈦酸鋰進行離子摻雜、導電物包覆或與導電性物質形成復合材料，來改善鈦酸鋰的電子導電性;

(2)通過對鈦酸鋰進行納米化結構設計，來縮短其離子擴散距離，提高倍率性能;

(3)通過深入研究鈦酸鋰材料的產氣機理，來尋找抑制電池脹氣的方法等。而將具有高導電性、環境友好、化學性能和熱性能穩定且結構多樣的碳材料與鈦酸鋰形成復合材料，在提高材料導電性的同時抑制脹氣，是近年來鈦酸鋰研究的又一熱點。

本文綜述了近幾年來碳材料在鈦酸鋰負極材料中的應用研究進展，深入分析和探討了碳材料對鈦酸鋰綜合電化學性能的改善作用，總結了鈦酸鋰/碳復合材料在制備和應用中需要關注的問題，最后指出了鈦酸鋰/碳復合電極材料未來可能的應用方向。