中國(guó)粉體網(wǎng)訊 作為鋰離子電池關(guān)鍵材料之一，負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池的最終性能起著至關(guān)重要的作用。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，在動(dòng)力鋰離子電池追求高能量密度和低成本的趨勢(shì)下，市場(chǎng)對(duì)負(fù)極材料性能提出了更高的要求。以硅基負(fù)極、金屬鋰負(fù)極、金屬氧化物負(fù)極等為代表的新型負(fù)極材料的研發(fā)正在如火如荼的進(jìn)行，同時(shí)這也反映了未來(lái)負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化的新趨勢(shì)。2023年10月25日到26日，第二屆先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇在廣東東莞隆重召開(kāi)，會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對(duì)話欄目，進(jìn)行訪談交流。本期，我們邀請(qǐng)到的是華北電力大學(xué)的潘家鴻教授。
鈦基材料作鋰電池負(fù)極好處多多
鈦基負(fù)極材料是指一類含有鈦元素的鋰電池負(fù)極材料，主要包括鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO），鈦鈮氧化物（TiNbxO2+2.5x，TNO）和TiO2等。
潘家鴻教授向粉體網(wǎng)介紹，相對(duì)于石墨負(fù)極材料來(lái)說(shuō)，鈦基鋰電池負(fù)極材料具備安全性高、倍率性能好、壽命長(zhǎng)以及循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn)，是一類極具潛力的負(fù)極材料。
傳統(tǒng)鋰離子電池采用石墨作為負(fù)極材料，石墨的對(duì)鋰電位較低（0.01~0.2V vs. Li+ /Li），接近于金屬鋰的沉積電壓，循環(huán)過(guò)程中易產(chǎn)生鋰枝晶，存在安全隱患；同時(shí)石墨負(fù)極在充放電過(guò)程中的體積變化約為10%，鋰離子的嵌入和脫出過(guò)程易造成石墨層的膨脹剝離，導(dǎo)致較大的不可逆的容量衰減。
鈦基負(fù)極材料的工作電壓比較高，為1~3V vs Li/Li+，可有效地避免金屬鋰沉積，因此具有極高的安全性能。此外，與其他負(fù)極材料相比，鈦基負(fù)極材料結(jié)構(gòu)變化小且可逆性更高，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。
制約鈦基負(fù)極材料發(fā)展的難題和改進(jìn)方法
潘教授表示，目前制約鈦基材料發(fā)展的難題主要有兩個(gè)方面，一是鈦基負(fù)極材料天然的高電位問(wèn)題，雖然相比于碳材料鈦基負(fù)極材料在安全性能上提升了不少，但也導(dǎo)致鈦基負(fù)極鋰電池的低輸出電壓；二是成本問(wèn)題，相比于碳材料產(chǎn)業(yè)化的快速轉(zhuǎn)變，鈦基負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢，對(duì)比碳材料而言，鈦基材料的金屬來(lái)源和加工成本都比較高，在追求低成本的負(fù)極市場(chǎng)中不占優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)摻雜、表面改性和復(fù)合等常用手段可有效改善鈦基負(fù)極材料的電子和離子電導(dǎo)率，提升鈦基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。潘教授表示，這些年來(lái)已經(jīng)得到公認(rèn)的一個(gè)方法就是碳基材料復(fù)合，因?yàn)榻饘傺趸锉旧韺?dǎo)電性比較差，碳基材料復(fù)合金屬氧化物有利于提高金屬氧化物的循環(huán)穩(wěn)定性，也有助于其倍率性能的提高。但潘教授坦言，從其所在的課題組研究來(lái)看，目前還沒(méi)有找到降低金屬氧化物的電位的特別有效的解決方法。
需選擇與鈦基負(fù)極適配的高電壓正極材料和電解液
潘教授表示，鈦基負(fù)極材料因其較高的電壓平臺(tái)（超過(guò)1V）與普通的鋰電正極材料（如磷酸鐵鋰：電壓平臺(tái)3.7V）組成的電池輸出電壓低，需要匹配一些高電壓鋰電正極材料（如三元正極材料：電壓平臺(tái)超過(guò)4V）來(lái)提升輸出電壓。電解液方面，目前電解液產(chǎn)業(yè)化的速度也很快，傳統(tǒng)電解液基本可以保持穩(wěn)定。研究電解液方向的人比較少，未來(lái)需要更多人去推動(dòng)其發(fā)展。
未來(lái)鈦基材料實(shí)際需要解決的重點(diǎn)和發(fā)展方向
鈦基材料目前還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用，潘教授表示，目前產(chǎn)業(yè)界對(duì)鈦鈮氧化物（TNO）很感興趣，TNO是TiO2和Nb2O5固溶體。TNO 的工作電壓為 1~3V，安全性能優(yōu)異。鈦鈮氧化物中存在 Ti4+/Ti3+、Nb5+/Nb4+和Nb4+/Nb3+這3個(gè)氧化還原電對(duì)，因此具備較大的理論容量。鈦鈮氧化物由于其較高的理論比容量以及合適的嵌鋰電位（約1.6V左右），被認(rèn)為極有潛力應(yīng)用于商用鋰離子電池。目前也在產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中。潘教授認(rèn)為，未來(lái)探索新型金屬氧化物負(fù)極材料還是要從如何降低材料電位和提升電池比容量的方向入手。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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