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钛基负极材料发展的核心问题及发展方向——专访华北电力大学潘家鸿教授

导读 专访华北电力大学潘家鸿教授

中国粉体网讯 作为锂离子电池关键材料之一，负极材料对锂离子电池的最终性能起着至关重要的作用。随着新能源汽车的发展，在动力锂离子电池追求高能量密度和低成本的趋势下，市场对负极材料性能提出了更高的要求。以硅基负极、金属锂负极、金属氧化物负极等为代表的新型负极材料的研发正在如火如荼的进行，同时这也反映了未来负极材料产业化的新趋势。2023年10月25日到26日，第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛在广东东莞隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家、学者，优秀企业家代表做客对话栏目，进行访谈交流。本期，我们邀请到的是华北电力大学的潘家鸿教授。

钛基材料作锂电池负极好处多多

钛基负极材料是指一类含有钛元素的锂电池负极材料，主要包括钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂，LTO），钛铌氧化物（TiNb_xO_2+2.5_x，TNO）和TiO₂等。

潘家鸿教授向粉体网介绍，相对于石墨负极材料来说，钛基锂电池负极材料具备安全性高、倍率性能好、寿命长以及循环稳定性优异等特点，是一类极具潜力的负极材料。

传统锂离子电池采用石墨作为负极材料，石墨的对锂电位较低（0.01~0.2V vs. Li⁺ /Li），接近于金属锂的沉积电压，循环过程中易产生锂枝晶，存在安全隐患；同时石墨负极在充放电过程中的体积变化约为10%，锂离子的嵌入和脱出过程易造成石墨层的膨胀剥离，导致较大的不可逆的容量衰减。

钛基负极材料的工作电压比较高，为1~3V vs Li/Li⁺，可有效地避免金属锂沉积，因此具有极高的安全性能。此外，与其他负极材料相比，钛基负极材料结构变化小且可逆性更高，循环稳定性优异。

制约钛基负极材料发展的难题和改进方法

潘教授表示，目前制约钛基材料发展的难题主要有两个方面，一是钛基负极材料天然的高电位问题，虽然相比于碳材料钛基负极材料在安全性能上提升了不少，但也导致钛基负极锂电池的低输出电压；二是成本问题，相比于碳材料产业化的快速转变，钛基负极材料产业化进展缓慢，对比碳材料而言，钛基材料的金属来源和加工成本都比较高，在追求低成本的负极市场中不占优势。

通过掺杂、表面改性和复合等常用手段可有效改善钛基负极材料的电子和离子电导率，提升钛基负极材料的电化学性能。潘教授表示，这些年来已经得到公认的一个方法就是碳基材料复合，因为金属氧化物本身导电性比较差，碳基材料复合金属氧化物有利于提高金属氧化物的循环稳定性，也有助于其倍率性能的提高。但潘教授坦言，从其所在的课题组研究来看，目前还没有找到降低金属氧化物的电位的特别有效的解决方法。

需选择与钛基负极适配的高电压正极材料和电解液

潘教授表示，钛基负极材料因其较高的电压平台（超过1V）与普通的锂电正极材料（如磷酸铁锂：电压平台3.7V）组成的电池输出电压低，需要匹配一些高电压锂电正极材料（如三元正极材料：电压平台超过4V）来提升输出电压。电解液方面，目前电解液产业化的速度也很快，传统电解液基本可以保持稳定。研究电解液方向的人比较少，未来需要更多人去推动其发展。

未来钛基材料实际需要解决的重点和发展方向

钛基材料目前还没有实际应用，潘教授表示，目前产业界对钛铌氧化物（TNO）很感兴趣，TNO是TiO₂和Nb₂O₅固溶体。TNO 的工作电压为 1~3V，安全性能优异。钛铌氧化物中存在 Ti⁴⁺/Ti³⁺、Nb⁵⁺/Nb⁴⁺和Nb⁴⁺/Nb³⁺这3个氧化还原电对，因此具备较大的理论容量。钛铌氧化物由于其较高的理论比容量以及合适的嵌锂电位（约1.6V左右），被认为极有潜力应用于商用锂离子电池。目前也在产业化的进程中。潘教授认为，未来探索新型金属氧化物负极材料还是要从如何降低材料电位和提升电池比容量的方向入手。

（中国粉体网编辑整理/乔木）

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