钛酸锂电池工作反应原理

  钛酸锂电池由正、负极板(正极活性物质为三元锂,负极为钛酸锂)、隔膜、电解质、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、电解质提供Li的传输通道,极耳起到引导电流的作用。

  电池充电时,Li+从三元锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极钛酸锂晶体的表面,然后嵌入负极钛酸锂尖晶石结构材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箱,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铝箔电极,再经导电体流到钛酸锂负极,使电荷达至平衡。

  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,再经电解质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。

  由此可见,钛酸锂电池基本原理,就是在充、放电的过程中,对应的锂离子在正负极之间来回的嵌脱,完成电池的充放电和向负载的供电。钛酸锂电池的充放电示意图如图所示。

  电池充电时,止极失去电子,锂离子脱出,嵌入到负极中;负极嵌入锂离子的同时得到电子成为富锂态。放电时的过程正好相反。在Li+嵌入或脱嵌的反应过程中,钛酸锂(Li4Ti5012)是一种理想的嵌入型电极材料,Li+插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响,因此被称作“零应变”材料,从而保证了其良好的循环性能。

  钛酸锂存在两种不同相的分子结构一—Li7Ti5012与Li4Ti3012。产生Li7Ti5012的晶体结构与Li4Ti5012的晶体结构均为尖晶石结构,且晶格常数变化很小,同时体积变化也很小。能够避免充放电循环中电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏,从而提高电极的循环性能和使用寿命,减少了随循环次数的增加而带来容量的衰减,使钛酸锂具有优良的循环性能。

  钛酸锂电池的电化学反应方程式:

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

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

  总化学反应方程式:

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

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