技术详细介绍
尖晶石钛酸锂和目前广泛使用的碳负极材料相比，在安全性、循环寿命等方面均具有无可比拟的优点，是功率型锂离子动力电池首选的负极材料，同时在功率型电池储能（如：太阳能发电储能、风力发电储能、智能电网用储能电池等）领域也有重要的应用。但是，钛酸锂的电子导电能力较差，导致其倍率性能体现不出来，要解决此问题有三种途径：一是减小材料的尺寸；二是通过掺杂提高其导电能力；三是表面包覆高导电相。目前可工业化的尖晶石钛酸锂的制备路线主要是高能球磨结合高温烧结的方法，该方法存在着产品颗粒尺寸大，表面包覆导电层不连续，掺杂元素分布不够均匀以及能耗高等问题，这些问题导致产品的整体性能，尤其是高倍率性能不够理想。 我校有关纳米材料制备工作始于九十年代初，经过近二十年的研究与开发在纳米材料的液相法制备、批量生产以及产业化应用方面积累了丰富的经验。在其他相关研究项目的支持下，我校特种材料研究中心研发团队握了液相工艺路线制备高性能纳米尖晶石钛酸锂的若干关键技术，进而利用液相工艺，成功制备了高性能纳米尖晶石钛酸锂，并进行了中试研究。 相关技术指标如下： 1、钛酸纳米管比表面积大于300m2/g，钛酸纳米纤维直径20-50nm； 2、钛酸锂晶粒尺寸小于100nm； 3、模拟电池容量≥170mAh/g，首次效率≥90％； 4、倍率性能30C/1C≥85%； 按年产300吨钛酸锂计算，预计可实现3000-4500万元的年产值。 市场前景分析： 在锂离子等相关动力电池方面，我国经过“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”四个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司在电动汽车方面也投入了很多，知名的丰田汽车公司在这方面就走在了前列，其开发的电动汽车Prius的年出货量将近20万台，约占全球所有混合动力车出货量的50％，但其并没有采用锂离子充电电池，这是由于现有锂离子电池存在诸多尚未解决的问题，最主要是安全性问题。一直以来，汽车及车载电池相关人士一直认为Prius会是最先采用锂离子电池的汽车，但由于笔记本电脑和手机中的锂离子电池在2006年相继发生起火事故，人们对于锂离子电池安全性的要求因此变得更加严格。汽车制造商在采用锂离子充电电池的问题上，也不得不采取谨慎的态度。但是近期，各大汽车厂商已纷纷开始和电池生产商建立合资公司，为汽车提供大批量生产的电池单元。从长远来看，锂离子充电电池是动力电池的最终解决方案。 2007年10月10日，比亚迪股份有限公司F6双模电动汽车在深圳展览中心的高交会展出，国内首个采用磷酸铁锂电池电动系统和汽油发动机系统的双模混合电动汽车现身。美国通用公司也与A123公司合作开发动力锂离子电池供应给雪佛兰Volt车型，通用汽车于2010年对雪佛兰Volt车型实现量产。2008年在我国举办的第29届奥运会上，我国投入50辆锂离子电池电动大巴在奥运村沿线运行，体现我国“绿色奥运”的举办理念。这些行动表明，节能环保的电动汽车开发迫在眉睫，而电动汽车和混合电动汽车的开发，离不开动力电池。 锂离子电池已经在便携式电子设备中得到广泛的应用，人们还期望它的应用领域进一步拓宽，为新世纪解决能源短缺和环境污染问题做出贡献。但是，目前的锂离子电池存在安全性不高、倍率性能差、寿命短和成本高的严重问题。即使目前广泛使用于便携式电子设备的低功率小容量的锂离子电池，其安全性问题已不断呈现。自2006年8月戴尔公司发生第一起笔记本电脑电池召回事件之后，卷入这一事件的公司包括索尼、苹果、日立、联想、东芝、富士通、夏普等，涉及电池超过1000万块，2006年被业界冠以“电池召回年”的称号，作为动力电源，锂离子电池安全性问题更加突显。而目前的锂离子电池能量成本是铅酸电池的五倍以上，镍氢电池的三倍以上，因此安全性和高成本是锂离子动力电池发展的瓶颈。 锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成，这四者的结构和性能直接决定了电池的综合性能，但电极材料（正、负极材料）起着绝对作用。自1991年索尼公司将锂离子电池技术推向市场至今，电极材料的进步一直在推动该项技术的不断发展，先进电极材料构成了目前锂离子电池更新换代的核心技术。 在需要极高安全性的锂离子动力电池中，许多公司都选择了中间相碳微球或硬碳类碳材料作为负极材料，但碳类材料作锂离子动力电池的负极材料具有理论和实际难以克服的弱点：碳类负极材料缺乏固有的安全性，因为碳/石墨在金属锂的电位附近插入锂，大电流充电过程中，石墨负极的表面容易形成金属锂沉积，不均匀沉积发展到一定程度，刺穿隔膜就会造成电池短路，导致安全隐患；快放过程中，锂离子脱出时容易使石墨片剥落，并破坏固体电解质膜，导致循环性能急速恶化。另外，碳类负极材料在电压曲线上没有充电结束指示，不适合应用在电动车上。 综上所述，目前刚开始兴起的锂离子动力电池市场，其电极采用碳类负极材料只是过渡阶段，随着电动汽车产业的发展，人们的期望会越来越高，电动汽车的使用条件会越来越苛刻，对锂离子动力电池的要求会越来越严格，尤其是对安全性、倍率性能和寿命的要求，该过渡期的长短取决于下一代锂动力电池材料开发和成熟的时间。因此，电动汽车发展的必然使得我们必须寻找新的正、负电极材料来代替现有的磷铁-碳或锰锂-碳的正负极电极材料体系。我们需要有超前3-5年的前瞻性，提供更新技术，满足后续的电动车电池材料需求。 目前，日本企业东芝率先将采用钛酸锂负极材料的锂离子电池SCiB实现产业化，并被电动自行车、工厂内的自动搬运车及丰田汽车公司的飞度EV概念汽车、EV-neo电动踏板车等所采用，各大汽车厂商对这种电池的长寿命、快速充电、低温性能等性能指标予以了高度评价，由此进一步带动了钛酸锂材料的开发和应用。在国内，珠海银通新能源也开发了以钛酸锂为负极材料的锂离子电池，并作为动力电池应用于电动车上。结合国内外动力电池市场情况来看，钛酸锂材料将会在锂离子动力电池负极材料中占有一席之地，一旦市场成熟，各大锂离子电池生产厂商将均成为使用客户，而以钛酸锂为负极材料的动力电池，在电动车上的应用有着巨大的市场前景，各大电动自行车、摩托车和汽车厂商均为潜在用户。