不同正极材料的钛酸锂基锂离子电池性能对比及应用简析
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摘 要：近年来，钛酸锂基锂离子电池因其低温性能好，循环寿命长，安全特性高等优势受到了极大地关注。本文对比了以锰酸锂（LMO）、三元材料（NCM）、钴酸锂（LCO）、磷酸铁锂（LFP）为正极材料的钛酸锂基锂离子电池的电性能；结合市场需求，分析了不同正极体系的钛酸锂基锂离子电池的应用方向。
关键词：钛酸锂；锂离子电池；不同正极体系；应用
随着新能源行业的快速发展，以Li4Ti5O12（简称LTO）作为负极材料的锂离子电池因其安全性高，循环寿命长，快速充放电能力强，低温性能好［1］等优点，相比于石墨负极的锂离子电池在某些特殊领域有着不可替代的作用。
1 实验
以32610圆柱型电池为研究对象，将正负极片经卷绕后形成极组，极组经过整形、入壳、激光焊等工序形成电池，半成品电池经过烘干、注液，化成、后处理、老化等工序完成制作，准备进行相关性能测试。电池分类如下：A（LMO）、B（NCM）、C（LCO）、D（LFP）。
2 结果与讨论
2.1 放电曲线
图1 A、B、C和D四类电池的放电曲线
以32610圆柱型电池为研究对象，LCO/LTO能量密度为80Wh/kg，NCM/LTO能量密度为75Wh/kg，LMO/LTO能量密度为55Wh/kg，LFP/LTO能量密度为47Wh/kg。
2.2 倍率放电性能
图2 A、B、C和D四类电池的倍率放电性能
如图2所示常温倍率放电性能A＞B＞C＞D。这是因为尖晶石型LMO具有立方对称结构，锂离子脱出嵌入速率较快，倍率性能较好；而NCM、LCO为层状结构，Li-O层中Li+的跃迁势垒较高，离子迁移速率较慢；LFP为橄榄石型晶体结构，其特殊结构限制了锂离子在其晶格内的传输速率，并且其内部铁氧八面体和磷氧四面体的存在导致了粉体颗粒之间的导电性极差［2］，因此倍率性能最差。
2.3 低温放电性能
图3 A、B、C和D四类电池的低温放电性能
如图3所示低温性能依次为A＞C＞B＞D。尖晶石型LMO为离子迁移提供了三维立体通道，离子扩散速率最快，低温下离子电导率最高，低温放电性能最好。层状结构的LCO因其半导体特性，电子电导率较高［3］，并且Co-O相互作用较强，降低了Li的跃迁势垒，有助于Li离子的迁移，因此低温倍率性能较为优异；NCM材料克容量发挥受温度影响极大，因此在低温环境下并不能完全发挥三元材料高克容量的优势；LFP因其材料特性，离子电导率及电子电导率都较低，因此低温性能最差。
3 应用市场简析
LMO/LTO电池的特点是功率特性好，循环性能及低温性能较出色，可广泛适用于例如特种车辆，风电变桨，电网调频，轨道交通等领域。NCM/LTO电池特点是能量密度高，功率特性较好，相对于钴酸锂体系安全性更高，因此适用于对安全性要求较高的项目中，例如动车组备用电源系统［4］、军用装备等方面的应用。LCO/LTO电池相对于NCM/LTO电池能量密度有较高优势，并且因其出色的低温性能，可用于高寒地区免维护的储能应用。LFP/LTO电池因其电压平台仅有1.9V，因此可通过增加降压板设计，将电池整体电压控制在1.5V，取代目前的5号电池。
参考文献：
［1］杨春.纯电动公交车蓄电池的选择［J］.科学导报，2014.
［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.
［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.
［4］蘇剑，李红兵.钛酸锂电池在动车组上的应用研究［J］.机车电传动，2011（4）：38-40.
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