隨著化石能源的不斷衰竭和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，清潔、可再生能源的開(kāi)發(fā)與高效存儲(chǔ)成為目前全球關(guān)注的重要議題。在眾多能量存儲(chǔ)器件中，鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，自商品化以來(lái)便得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，為適應(yīng)新能源汽車和智能電網(wǎng)等大型儲(chǔ)能裝置需求的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)具有高能量密度、高功率密度、優(yōu)異安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰離子電池成為當(dāng)今儲(chǔ)能領(lǐng)域備受矚目的研究熱點(diǎn)。

　　目前已商品化的鋰離子電池負(fù)極材料仍以可在層間可逆嵌入、脫出鋰離子的碳材料（ 如石墨）為主，但這類材料在首次充放電時(shí)，會(huì)在其表面形成固體電解質(zhì)界面（ SEI）膜，造成不可逆容量損失; 由于石墨的嵌鋰電位與金屬鋰接近，過(guò)充時(shí)會(huì)形成鋰枝晶而引發(fā)安全問(wèn)題; 石墨類材料在嵌鋰過(guò)程中還會(huì)由于體積膨脹而使活性物質(zhì)間失去有效的導(dǎo)電接觸，造成容量損失。這些缺點(diǎn)限制了石墨類碳負(fù)極材料在車載和智能電網(wǎng)等大型鋰離子電池及動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，尋找比碳負(fù)極材料更安全可靠、循環(huán)壽命更長(zhǎng)的負(fù)極材料是發(fā)展下一代鋰離子電池的關(guān)鍵。

　　具有尖晶石型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰是新型的負(fù)極材料之一。與石墨負(fù)極相比，鈦酸鋰具有更高的嵌鋰電位，可有效避免金屬鋰的析出和鋰枝晶的形成。鈦酸鋰及嵌鋰態(tài)的Li7Ti5O12具有遠(yuǎn)高于石墨的熱力學(xué)穩(wěn)定性，不易引起電池的熱失控，從而具有更高的安全性。同時(shí)，鈦酸鋰在鋰離子嵌入、脫出的過(guò)程中，晶格參數(shù)幾乎不發(fā)生變化，晶體結(jié)構(gòu)能夠保持高度的穩(wěn)定性，是一種“零應(yīng)變”材料，因此具有極為優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，鈦酸鋰還具有優(yōu)異的低溫性能，快速充電能力，較高的性價(jià)比，因而在大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

　　雖然鈦酸鋰具有上述優(yōu)點(diǎn)，自1989年鈦酸鋰首次被用作負(fù)極材料以來(lái)，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池卻仍未獲得所預(yù)期的快速的產(chǎn)業(yè)化。限制鈦酸鋰規(guī)?；瘧?yīng)用的主要因素源于材料和器件兩個(gè)方面：

　　第一，鈦酸鋰的電子和離子電導(dǎo)率分別為10-13 S˙cm-1和10-9-10-13 cm2˙s-1，電子在鈦酸鋰中發(fā)生躍遷的能隙約為2 eV，材料本征的絕緣屬性極大限制了其在大電流充放電條件下的倍率性能。

　　第二，以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池在充放電循環(huán)和存儲(chǔ)過(guò)程中，普遍存在“脹氣”現(xiàn)象，即電池內(nèi)部不斷產(chǎn)生氣體，特別是在高溫條件下，脹氣更為嚴(yán)重。

　　針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了廣泛而深入的研究工作，包括：

　?。?1） 通過(guò)對(duì)鈦酸鋰進(jìn)行離子摻雜、導(dǎo)電物包覆或與導(dǎo)電性物質(zhì)形成復(fù)合材料，來(lái)改善鈦酸鋰的電子導(dǎo)電性;

　?。?2） 通過(guò)對(duì)鈦酸鋰進(jìn)行納米化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)縮短其離子擴(kuò)散距離，提高倍率性能;

　?。?3） 通過(guò)深入研究鈦酸鋰材料的產(chǎn)氣機(jī)理，來(lái)尋找抑制電池脹氣的方法等。而將具有高導(dǎo)電性、環(huán)境友好、化學(xué)性能和熱性能穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)多樣的碳材料與鈦酸鋰形成復(fù)合材料，在提高材料導(dǎo)電性的同時(shí)抑制脹氣，是近年來(lái)鈦酸鋰研究的又一熱點(diǎn)。

　　本文綜述了近幾年來(lái)碳材料在鈦酸鋰負(fù)極材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展， 深入分析和探討了碳材料對(duì)鈦酸鋰綜合電化學(xué)性能的改善作用，總結(jié)了鈦酸鋰/碳復(fù)合材料在制備和應(yīng)用中需要關(guān)注的問(wèn)題，最后指出了鈦酸鋰/碳復(fù)合電極材料未來(lái)可能的應(yīng)用方向。

　　鈦酸鋰的基本結(jié)構(gòu)與充放電機(jī)制

　　鈦酸鋰為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的白色晶體，在空氣中可穩(wěn)定存在，其結(jié)構(gòu)式可寫(xiě)為 Li（ Lil/3Ti5/3） O4，空間點(diǎn)陣群為Fd3m，其中氧離子立方密堆構(gòu)成面心立方點(diǎn)陣，位于32e位置，鋰離子占據(jù)四面體8a位置，而八面體16d位置則分別由鋰離子和鈦離子（ Ti4 + ）以1∶ 5的原子比例占據(jù)。因此，尖晶石型鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)式可表示為L(zhǎng)i（ 8a）［Lil/3 Ti5/3］（ 16d） O4（ 32e）。在鋰離子嵌入過(guò)程中，3個(gè)原來(lái)占據(jù)8a位置的鋰由于靜電排斥作用轉(zhuǎn)移到16c位置，同時(shí)， 3個(gè)新的鋰原子也嵌入到尖晶石結(jié)構(gòu)的16c位置， 從而發(fā)生尖晶石結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12向巖鹽結(jié)構(gòu)Li7Ti5O12的轉(zhuǎn)變，伴隨著3個(gè)Ti4 + 被還原為Ti3 + ，其中Li7Ti5O12的結(jié)構(gòu)式可表示為 Li2（ 16c）［Lil/3Ti5/3］（ 16d） O4（ 32e） 。

　　一般認(rèn)為該兩相轉(zhuǎn)變的充放電機(jī)制遵循圖2中所示的核殼模型，即鋰嵌入時(shí)，鈦酸鋰顆粒表面逐漸形成高導(dǎo)電的巖鹽相Li7Ti5O12層，嵌鋰結(jié)束時(shí)，Li4Ti5O12完全轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)i7Ti5O12;而當(dāng)鋰脫出時(shí)，Li7Ti5O12的表面又逐漸被所形成的低電子電導(dǎo)的Li4Ti5O12所覆蓋，最終Li7Ti5O12完全轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)i4Ti5O12。鋰嵌入/脫出過(guò)程中，存在十分平坦的電位平臺(tái)，平臺(tái)電位為1. 55 V（ vs Li/Li + ）。該過(guò)程中晶胞參數(shù)從8. 3595變化到8. 3538，對(duì)應(yīng)的晶胞體積變化僅為0. 2%，幾乎可以忽略，因此鈦酸鋰也被稱之為“零應(yīng)變”材料。鈦酸鋰的這一特點(diǎn)使其具有非常高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為其良好的充放電循環(huán)性能提供了基礎(chǔ)。