鈦酸鋰電池工作反應(yīng)原理

鈦酸鋰電池由正、負極板（正極活性物質(zhì)為三元鋰，負極為鈦酸鋰）、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼（鋁合金）外殼等組成。正負極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，隔膜、電解質(zhì)提供Li的傳輸通道，極耳起到引導(dǎo)電流的作用。

電池充電時，Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面，從正極板材料中脫出，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到負極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時，電子流通過正極的鋁箱，經(jīng)極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的鋁箔電極，再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負極，使電荷達至平衡。

電池放電時，Li從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解質(zhì)遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負極柱、負載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到三元鋰正極，使電荷達至平衡。

由此可見，鈦酸鋰電池基本原理，就是在充、放電的過程中，對應(yīng)的鋰離子在正負極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖所示：

電池充電時，止極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負極中；負極嵌入鋰離子的同時得到電子成為富鋰態(tài)。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)過程中，鈦酸鋰（Li4Ti5012）是一種理想的嵌入型電極材料，Li+插入和脫嵌對材料結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，因此被稱作“零應(yīng)變”材料，從而保證了其良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)一—Li7Ti5012與Li4Ti3012。產(chǎn)生Li7Ti5012的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5012的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu)，且晶格常數(shù)變化很小，同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命，減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來容量的衰減，使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

鈦酸鋰電池的電化學(xué)反應(yīng)方程式：

正極反應(yīng)：LiNi?Mn?Co?02 → LiNi?Mn?Co?02 + xLi﹢ + xe﹣

負極反應(yīng)：Li4Ti5012 + xLi﹢ + xe- →Li4 + xTi5012

總化學(xué)反應(yīng)方程式：

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