鈦酸鋰電池放電原理
鈦酸鋰電池由正、負(fù)極板（正極活性物質(zhì)為三元鋰，負(fù)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(fù)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(shí)，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(chǎng)力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極鈦酸鋰晶體的表面，然后嵌入負(fù)極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時(shí)，電子流通過正極的鋁箱，經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的鋁箔電極，再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負(fù)極，使電荷達(dá)至平衡。
電池放電時(shí)，Li從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌，進(jìn)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(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)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(dá)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(duì)應(yīng)的鋰離子在正負(fù)極之間來回的嵌脫，完成電池的充放電和向負(fù)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(shí)，止極失去電子，鋰離子脫出，嵌入到負(fù)極中；負(fù)極嵌入鋰離子的同時(shí)得到電子成為富鋰態(tài)。放電時(shí)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(duì)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(shí)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(fù)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
鈦酸鋰電池用在哪里
鈦酸鋰電池是鋰電中壽命最長(zhǎng)、安全度最高的電池。鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)萬次以上的充放電循環(huán)，高于普通鋰電池。
目前鈦酸鋰電池國(guó)內(nèi)市場(chǎng)技術(shù)比較成熟，在電動(dòng)車應(yīng)用方面主要用于公交車和擺渡車等領(lǐng)域。
鈦酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用
儲(chǔ)能被認(rèn)為是新能源的下一個(gè)風(fēng)口，鈦酸鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用被人們寄予厚望。鈦酸鋰電池超長(zhǎng)的循環(huán)壽命、不同凡響的安全性、優(yōu)異的功率特性以及良好的經(jīng)濟(jì)性。這些特性卻將會(huì)是成就目前正在崛起的大規(guī)模鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要基石。
發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)是促進(jìn)新能源發(fā)電、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。在各種類型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等特點(diǎn)，很好地契合了電網(wǎng)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景。以軌道交通車輛車載儲(chǔ)能系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)當(dāng)前應(yīng)用于軌道交通車輛中的超級(jí)電容、高能電容和鋰離子電池等車載儲(chǔ)能元件的性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出鈦酸鋰電池具有高功率密度、高能量密度、高可靠性的技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合鈦酸鋰電池的性能特點(diǎn)和控制策略的研究，通過項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，鈦酸鋰電池在地鐵車輛儲(chǔ)能系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊前景。
針對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用需求，在原有鈦酸鋰電池的基礎(chǔ)上提出了滿足儲(chǔ)能應(yīng)用需求的鈦酸鋰電池材料體系重構(gòu)原則與技術(shù)方案，研發(fā)出亞微米級(jí)鈦酸鋰材料。項(xiàng)目研制的儲(chǔ)能用鈦酸鋰電池保持了長(zhǎng)壽命高倍率的本征特性，且成本大幅下降。鈦酸鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)，為大規(guī)模長(zhǎng)壽命鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)積累，同時(shí)為長(zhǎng)壽命鋰離子電池儲(chǔ)能裝置產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)新能源的利用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。