新电极结构的钛酸锂电池及性能分析

简斌

摘要：本文主要针对圆柱形的钛酸锂电池为关键的研究对象，将对电极结构进行优化的理念视为本次研究的重点，实现电容器结构与电池间的良好整合，通过这样的形式来满足增强电池大电流充放电的整体能力。而经过实践测试后会发现，有效地运用新电极结构的电池，在常温或是低温状态下，都会呈现出比较强大的电流充放电的效果与能力，而且也能表现出优异大电流的循环性能等。因此本文就针对新电极结构的钛酸锂电池特点和性能进行分析，从而将其优势和作用展示出来，为后期相关工作的有效开展提供保障。

关键词：新电极结构;钛酸锂电池;性能

0  引言

在当前经济快速发展的环境下，各种能源和环境问题也逐渐受到人们的重视。风能、太阳能等新能源在开发中，也受到广泛的重视。而新能源的随机性进和波动性也是最受关注的问题，这样会使得其输出功率发生不稳定和不连续等现象;但对于电化学的储能元件，能够有效地存储能量，也能实现稳定输出功率，更好地弥补新能源在开发上存在的不足之处。对于不同的电化学储能的技术领域里，锂离子电池因自身高密度、长循环的寿命和环境友好等优势，得到广泛的重视。对于尖晶石型的钛酸锂电池，其相对于锂的具体电位是1.55V，而其理论的容量是175mAh·g-1，其有较强安全性、零应变和电化学性能好的优势，可以更好地使用在不同的温度范围之内，这也为很多工业领域和企业单位提供了高效的能源设备。

与常规的碳负极的材料进行对比，其钛酸锂的嵌锂电压平台比较高，能够有效地避免因同电解液发生反应而出现钝化膜现象，对宽温度的电解液选择有一定帮助，也能杜绝大电流充电以及过充时出现负极表面锂的枝晶现象，其安全性是值得保障的。对于常温状态下，其材料化学扩散的系数是2×10-8cm2·s-1，其相比于碳负极的材料要大至少一个数量级，能够展示出较为快速的嵌脱锂的能力。也正是这些优势，其能够在我国交通领域、储能领域以及对高低温大电流充放电的相关特殊要求领域中，都有良好的应用前景，并且也获得国内外的重视。

1  钛酸锂电池的关键优势分析

针对实际中钛酸锂电池，其有着安全稳定的性能，其单体的电压一般都是在2.4-3V之间，在充电时并不会出现锂枝晶，而在充放电的情况下会有较高热稳定性和零应变性，不会引发起火问题;其有着较长的循环寿命，循环的次数一般都会高于3万次，可以在30年之内有效运用，一般会和设备保持同寿命;其成本也是比较低的，很容易被用户接受;也能实现全天候的充放电要求，其耐宽温的性能良好，能够在零下40摄氏度到零上60摄氏度的环境中能够正常的充放电，并无记忆效应，能够实现随時充放电的效果[1]。能够实现高倍率的充放电，对于实际中运用的电动大巴车中也运用的钛酸锂电池中，在充电6分钟时，就能实现额定容量在95%左右，其充电的电流在40A，能够确保车辆持续行使100km，一般能够运营两次往返。而针对大电流充电中，其电池内部并不会出现因高温发热的反应而出现SEI膜，可以有效地吸收在正极中出现的分解反应形成的氧气，能够非常有效地降低电池因过热而失控的问题出现。最后就是不会带来污染问题，其原材料的资源也比较丰富。

2  实验的具体研究和分析

针对钛酸锂电池的优势进行分析，明确其在实际中的应用前景，但因钛酸锂中的Ti4+中存在的3d轨道出现缺电子的现象，这样会导致其本征导电率降低，导致其材料的导电性能变差，这样将会对其高倍率的性能带来影响。一般情况之下，其锂离子的负极当中的固相扩散系数，属于决定了其电池极化内阻以及电池的大电流充放电情况的重要环节[2]。因此，一些研究人员会运用几种形式来对钛酸锂电池倍率性能进行提升：首先就是以材料角度进行分析，有效的设计纳米结构，有效的降低锂离子早钛酸锂电池的电极中其固相扩散的距离;也会经过对材料表面进行有效地包覆，或是通过掺杂一些特定元素，实现提升离子扩散以及电子传导率的效果，以此增强电荷转移的反应效率。其次，以电池角度进行分析，也就是通过对电极设计进行优化，或是对工艺形式进行改善，使得电池大电流充放电的性能变得更高。

而本文主要是以圆柱形钛酸锂电池进行研究。以电池角度，主要就是对电极结构进行优化而实现电池大电流性能的提升，这样能够为实际中有效开发出能够实现大电流充放的圆柱形的钛酸锂电池而提供有利的依据。

2.1 主要的实验内容

圆柱形锂离子电池，主要就是以超声焊的形式实现正负极耳间分别和电池盖和壳体进行焊接，而对于这一工艺存在的缺点就是，极耳和连接件焊接的面积相对较小，使得单位面积的承载电荷变大，将难以确保大电流的输入和输出的有效性[3]。因钛酸锂中嵌锉电位要高于易性形成锂铝合金中电位，所以在接下来的研究中，应在正负极上运用铝箔来建立集流体，使得电容器的结构和电池都能实现良好的组合，让极片中的空箔视为极耳，在借助激光焊和连接件的焊接形式连接在一起，由此能够提升极耳焊接的面积，也能增强大电流输入和输出的能力，并且也能确保电池综合性能得到进一步提升。在实验研究中，主要运用圆柱形26700电池为主，通过比较形式来测试新结构电池和以往功率型的电池间的性能。

2.2 具体实验分析

2.2.1 电极

对于其中的正极是将锰酸锂视为关键的活性物质，而负极是将钛酸锂视为关键的活性物质，通过建立其流动性能良好，且粘度能够满足要求的浆料来实现相应要求，之后再分别将其涂覆到厚度是16u的锅集流体之上，运用碾压和剪切等形式来得到正极片和负极片。之后就是把负极分别制作成两组极片，其中的一组是普通的功率型三极耳的电极，而另一组是新结构的电极，通过将其中的正负极的边缘留出空箔（如图1所示），在图中的L+为正极片的长度，而L-为负极片的长度，W+就是正极片的宽度，W-为负极片的宽度。

2.2.2 电池

通过对新电极结构进行极片的卷绕后，其会形成新结构的电池，和普通的电池间是有一定不同处的，其电极极耳是以极片的空箔为主，对于进行激光焊接后，会实现从上集流体与下集流体中引出，这样就能实现电容器结构和电池间的有效结合。

2.2.3 电池性能的有效检查

该工作中，就是把装配好的普通三极耳结构的电池a与新电极结构的电池b进行烘干，在通过注入规定计量的电解液，在通过化成和后处理等形式，能够实现各个项目的有效检查。

首先，对基础数据进行有效测试。其电池通过完成前期化的处理之后，会在BT2000型的多通道的充放电的循环测试仪中，运用一倍率的电流实现充放电性能的测试工作，其充放电所截止的电压值应控制在1.5-3.0V之间。

其次，倍率充和放电性能的检查。对于倍率充电的性能检验工作当中，其电池会分为几个不同倍数的数值，主要就是1、5、10、15以及20C的倍率，其电流充电要开展在3V，待休眠一定时间之后，在运用1C电流来做放电至1.5V的处理。而对于倍率放电的性能检查中，其电池是以1C电流为主在充电至3V，待休眠后，会以1、5、10、15、20以及30C的电流放电到1.2V，在运用先进的红外热成像仪来对电池在30C倍率状态下的放电时温度转变情况。

再次，低温性能的检查。针对低温倍率的放电性能检查中，常温情况下要以1C电流为主，并充满后把电池放置在零下40摄氏度温度下七个小时，之后在运用7C的电流放电到1.2V。

最后，有效开展循环检查工作。对于常温情况下，要以6C电流来开展循环测试的工作，确保其电压在1.5-3V之间，并且在循环50次后在进行一次放电结束时温度检查。

3  实验结果与最后讨论

3.1 电池的基础数据分析

针对以上两种电池的基础数据（如图2所示），针对图中内容可以明确发展，a与b两电池容量大致是相同的，可是其内阻却有一定差异性。针对新电极的结构电池，平均内阻要比以往的结构电池要偏低，这一点可以明确其新结构会提升电池极耳的焊接面积，进而能够确保电池内阻有效降低。

3.2 倍率充电与放电的性能分析

针对其电池大电流的充放电的性能，不仅和材料的导电率相关，而且与功率型的设计也是有一定关联的。虽然钛酸锂电池材料中的本征导电率相对偏低，可是通过实现金属掺杂和碳材料的复合等形式，能够有效地改善钛酸锂材料本征电子以及离子电的导率情况，进而能够增强其倍率充放電的性能。

3.3 低温的性能分析

针对其两组电池进行低温性能试验，主要就是在零下40摄氏度的温度下以7C电流来进行电流放电性能分析。在实验中，其电池a和b电池在开始放电时，其放电曲线的趋势大致相同。而在前30s时因极化过大，其电压会迅速下降，a电池的放电的电压快速的降到1.2V，这样将难以进行继续放电工作[4]。对于新结构的b电池，在放电到59s后电压提升，其放电的最低电压在1.34V，其电池的放电时间为498s与501s，而放电效率是常温放电的93%，这样能够展示出新电极结构可以在低温情况下确保大电流放电性能的有效提高。

4  结论分析

针对钛酸锂电池进行有效研究，实现设计一组新结构的电极，并运用极片留出空箔的形式来作极耳，在把电容器结构和电池进行良好组合，由此能够提升极耳的有效焊接面积。与传统的三极耳功率型的电池进行对其，期新结构的电池能够在常温下进行大电流充放电，在零下40摄氏度的低温7C情况下放电，整体性能表现良好，可以有效的标示运用新结构电极，能够最大幅度的提升电池倍率以及其综合的性能。

参考文献：

[1]熊永莲，陈玉炜，侯全会，等.新电极结构的钛酸锂电池及性能研究[J].黑龙江大学自然科学学报，2017（5）：569-574.

[2]李娜.高功率柔性锂离子电池电极材料的制备及其性能研究[D].中国科学技术大学，2013（4）：1-52.