鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應、自放電率低、充放電迅速、循環壽命超長、工作環境溫度範圍寬、安全穩定綠色環保等特點,所以在通信電源領域具有非常廣泛的應用前景。

1 鈦酸鋰電池的基本結構

鈦酸鋰電池由正、負極板(正極活性物質為三元鋰,負極為鈦酸鋰)、隔膜、電解質、極耳、不鏽鋼(鋁合金)外殼等組成。正負極板是電化學反應的區域,隔膜、電解質提供Li+的傳輸通道,極耳起到引導電流的作用。

三元鋰正極和鈦酸鋰負極與導電劑、粘結劑以一定的比例混合,塗覆在鋁箔上構成,正負極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯複合隔膜)隔開,防止電池短路。隔膜是一種多孔結構的薄膜,充放電過程中Li+可以通過其孔隙,而電子e-不能通過。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機溶液。

鈦酸鋰材料具有三維擴散通道，在Li+脫嵌過程中，其晶格體積基本不發生形變，其結構為Li+提供了足夠暢通和快速的遷移，鈦酸鋰材料具有三維擴散通道，不存在因形變帶來的應力應變和結構塌陷，從而使鈦酸鋰材料具有更長的循環壽命。從化學反應特性來看，鈦酸鋰能夠在大倍率下進行快速脫嵌鋰過程(既能快充也能快放)。圖1為鈦酸鋰材料結構圖。圖2為石墨與鈦酸鋰的晶體結構對比圖。

　2  鈦酸鋰電池的工作原理

電池充電時,Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表麵,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,再經電解液遷移到負極鈦酸鋰晶體的表麵,然後嵌入負極鈦酸鋰尖晶石結構材料中。與此同時,電子流通過正極的鋁箔,經極耳、電池極柱、負載、負極極柱、負極耳流向負極的鋁箔電極,再經導電體流到鈦酸鋰負極,使電荷達至平衡。

電池放電時,Li+從鈦酸鋰尖晶石結構材料中脫嵌,進入電解液,穿過隔膜,再經電解質遷移到三元鋰晶體的表麵，然後重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時，電子經導電體流向負極的鋁箔電極，經極耳、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，然後再經導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3所示。

電池充電時,正極失去電子,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。放電時的過程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應過程中,鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是一種理想的嵌入型電極材料,Li+插入和脫嵌對材料結構幾乎沒有影響,因此被稱作“零應變”材料,從而保證了其良好的循環性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結構——Li7Ti5O12與Li4Ti5O12。產生Li7Ti5O12的晶體結構與Li4Ti5O12的晶體結構均為尖晶石結構,且晶格常數變化很小,同時體積變化也很小。能夠避免充放電循環中電極材料的來回伸縮而導致結構的破壞,從而提高電極的循環性能和使用壽命,減少了隨循環次數的增加而帶來容量的衰減,使鈦酸鋰具有優良的循環性能。

鈦酸鋰電池的電化學反應方程式:

正極反應:LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2→Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+xLi++xe-

負極反應:Li4Ti5O2+xLi++xe-→Li4+xTi5O12

總化學反應方程式:–––

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4Ti5O12→Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4+xTi5O12

3 鈦酸鋰電池組在基站的工作方式

由於鈦酸鋰電池的電解液是有機液體,再加上鋰金屬是一種非常活潑的元素,所以該電池必須密封,電池在正常的充放電條件下是幾乎不產生氣體的。即使電池長期處於間歇充電狀態下,電池內部也不會產生較高壓力,電池安全可靠。另外,通信基站電源對電池組的供電方式是浮充加均充穩壓限流工作模式,對於電池組間歇充電而言,調整浮充和均充電壓,都設定為53.9V,對鈦酸鋰電池組進行充電,這個電壓對電池極板和電解液都是比較穩定的,電池容量變化極小,不同的浮充電壓值對電池的容量影響不明顯,電池可以長期處於間歇式充、放電狀態,所以鈦酸鋰電池組用於通信基站是非常適合的。圖4為間歇式充放電原理圖。

T1和T3為充電過程;T1為恒流-恒壓充電階段;T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。

4  圓柱型鈦酸鋰電池的工藝特點

(1) 全極耳卷繞式金屬外殼獨特結構

電池采用圓柱形不鏽鋼殼激光封口,結構具備不漏液、不氣脹、抗震耐碰、環境適應性強,具有在高熱、高寒、高濕環境下應用的優勢。

內部極耳采用橫向引流技術,可現實正負極片多極耳引出,解決了圓柱型電池不能多極耳引流的難題,降低了電池充放電過程中極化內阻,使電池具備高功率充放電性能。

正負極耳在電池兩端引出,有利於電池充放時熱量的發散,避免熱量隻在一端聚集的情況。

電芯極卷采用全自動卷繞方式,極片在卷繞過程中,通過精確的張力控製係統,使極片之間的間隙極小。每圈電池均有極耳引出,有效降低電池的內阻,改善電池的大電流放電性能,並提高電池均一性。

(2) 單體容量設計

卷繞式圓柱鈦酸鋰電池實現了從低容量電池到高容量電池的飛躍,解決了高容量電池產業化生產過程中的關鍵技術問題及應用難題,用單體大容量動力鋰電池作為動力模塊替代成百上千個小容量電池的串並聯,從而降低了電池組裝的安全隱患,提高電池的一致性。

卷繞式圓柱鈦酸鋰電池能夠適應的溫度範圍為-40～60℃。采用合理的電解液配方,使電解液有比較寬的電化學工作窗口,特別是在高電壓以及高低溫時,仍有比較高的耐受性,電解液不易分解。電解液的耐高壓性以及較高的鋰離子濃度,提高了鋰離子在電極表麵的擴散速度。同時電解液中含有的高介電常數溶劑,減少了鋰離子的溶劑化,減小了電解液在低溫環境下的運動阻力,提高了電池的低溫性能及倍率性能。

卷繞式電池能實現連續化生產,減少生產工序,大幅度提高生產效率,降低電池的製造成本;與此同時,在製造成本相同的情況下,規模化生產高容量電池,實現核算單位製造成本的降低。

卷繞式電池由正極材料(包括金屬箔材)、負極材料(包括金屬箔材)、隔膜、電解液、外殼及組裝配件五大部分組成。在不改變外殼及組裝配件的前提下,采用常規物料,進行合理的電池設計,在提升電池能量密度的同時,能大幅度降低每安時的物料成本。

全自動封閉上料工藝有效控製原料純度,隔離雜質*;全程電腦自控上料,使投放更精準穩定;混料設備按製藥級別配置,分散粉料標準高。

塗布采用β射線自動測厚技術,輸出極片塗層厚度更穩定可靠;烘幹過程分段溫度控製,使極片成品率更高。

輥壓環節輥壓動作應用熱壓工藝,使塗層均勻度、附著力遠高於冷壓工藝。

卷繞環節使用國內外著名廠家的全自動化連續卷繞機,使產品卷芯質量更穩定。

端蓋焊接采用激光焊接設備，在高精度作業過程中,可進行顯微鏡可視檢測，實現生產、質檢同步。

化成分容環節為保證測量數據精準性,化成分容均實現恒溫控製,采用高精度分選化成容量設備,用動態電壓曲線擬合的方法,通過智能軟件控製係統自動分選。確保電池經過篩選後電池的準確性,提高電池配組的一致性。

圖5給出了圓柱型鈦酸鋰電池的結構圖和實物照片。

圖6和圖7以66260圓柱型鈦酸鋰電池為例,分別給出了電池充、放電倍率曲線圖。

圖8是30Ah電池在不同倍率下的充、放電倍率曲線圖。具體數據見表1和表2。

編輯：Harris

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