中國粉體網訊 作為鋰離子電池關鍵材料之一，負極材料對鋰離子電池的最終性能起著至關重要的作用。隨著新能源汽車的發展，在動力鋰離子電池追求高能量密度和低成本的趨勢下，市場對負極材料性能提出了更高的要求。以硅基負極、金屬鋰負極、金屬氧化物負極等為代表的新型負極材料的研發正在如火如荼的進行，同時這也反映了未來負極材料產業化的新趨勢。2023年10月25日到26日，第二屆先進負極材料技術與產業高峰論壇在廣東東莞隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家、學者，優秀企業家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期，我們邀請到的是華北電力大學的潘家鴻教授。
鈦基材料作鋰電池負極好處多多
鈦基負極材料是指一類含有鈦元素的鋰電池負極材料，主要包括鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO），鈦鈮氧化物（TiNbxO2+2.5x，TNO）和TiO2等。
潘家鴻教授向粉體網介紹，相對于石墨負極材料來說，鈦基鋰電池負極材料具備安全性高、倍率性能好、壽命長以及循環穩定性優異等特點，是一類極具潛力的負極材料。
傳統鋰離子電池采用石墨作為負極材料，石墨的對鋰電位較低（0.01~0.2V vs. Li+ /Li），接近于金屬鋰的沉積電壓，循環過程中易產生鋰枝晶，存在安全隱患；同時石墨負極在充放電過程中的體積變化約為10%，鋰離子的嵌入和脫出過程易造成石墨層的膨脹剝離，導致較大的不可逆的容量衰減。
鈦基負極材料的工作電壓比較高，為1~3V vs Li/Li+，可有效地避免金屬鋰沉積，因此具有極高的安全性能。此外，與其他負極材料相比，鈦基負極材料結構變化小且可逆性更高，循環穩定性優異。
制約鈦基負極材料發展的難題和改進方法
潘教授表示，目前制約鈦基材料發展的難題主要有兩個方面，一是鈦基負極材料天然的高電位問題，雖然相比于碳材料鈦基負極材料在安全性能上提升了不少，但也導致鈦基負極鋰電池的低輸出電壓；二是成本問題，相比于碳材料產業化的快速轉變，鈦基負極材料產業化進展緩慢，對比碳材料而言，鈦基材料的金屬來源和加工成本都比較高，在追求低成本的負極市場中不占優勢。
通過摻雜、表面改性和復合等常用手段可有效改善鈦基負極材料的電子和離子電導率，提升鈦基負極材料的電化學性能。潘教授表示，這些年來已經得到公認的一個方法就是碳基材料復合，因為金屬氧化物本身導電性比較差，碳基材料復合金屬氧化物有利于提高金屬氧化物的循環穩定性，也有助于其倍率性能的提高。但潘教授坦言，從其所在的課題組研究來看，目前還沒有找到降低金屬氧化物的電位的特別有效的解決方法。
需選擇與鈦基負極適配的高電壓正極材料和電解液
潘教授表示，鈦基負極材料因其較高的電壓平臺（超過1V）與普通的鋰電正極材料（如磷酸鐵鋰：電壓平臺3.7V）組成的電池輸出電壓低，需要匹配一些高電壓鋰電正極材料（如三元正極材料：電壓平臺超過4V）來提升輸出電壓。電解液方面，目前電解液產業化的速度也很快，傳統電解液基本可以保持穩定。研究電解液方向的人比較少，未來需要更多人去推動其發展。
未來鈦基材料實際需要解決的重點和發展方向
鈦基材料目前還沒有實際應用，潘教授表示，目前產業界對鈦鈮氧化物（TNO）很感興趣，TNO是TiO2和Nb2O5固溶體。TNO 的工作電壓為 1~3V，安全性能優異。鈦鈮氧化物中存在 Ti4+/Ti3+、Nb5+/Nb4+和Nb4+/Nb3+這3個氧化還原電對，因此具備較大的理論容量。鈦鈮氧化物由于其較高的理論比容量以及合適的嵌鋰電位（約1.6V左右），被認為極有潛力應用于商用鋰離子電池。目前也在產業化的進程中。潘教授認為，未來探索新型金屬氧化物負極材料還是要從如何降低材料電位和提升電池比容量的方向入手。
（中國粉體網編輯整理/喬木）
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