Kako materiali-na osnovi titana vplivajo na delovanje baterije?

Nadgradnja zmogljivosti baterijskih materialov je postala glavna gonilna sila industrije. Zaradi svojih bogatih virov, prijaznosti do okolja, stabilne kristalne strukture in odlične varnostne učinkovitosti je titan postal osnovni material za baterije za shranjevanje energije, kot so litij-ionske in natrijev-ionske baterije.

Zanašajoč se na različne morfologije in inovativne zasnove, materiali-na osnovi titana uvajajo inovacije v tradicionalne baterije. Izpolnjuje potrebe po hitrem-polnjenju električnih baterij in zahteve po dolgi-življenjski dobi sistemov za shranjevanje energije ter ustvarja novo paradigmo za shranjevanje energije.

Litijev titanat (Li₄Ti₅O₁₂), njegova značilnost "ničelne-deformacije" se lahko popolnoma izogne ​​razpršitvi elektrod in razgradnji elektrolita, kar omogoča, da ima baterija več kot 20.000-krat življenjsko dobo.

Platforma delovne napetosti 1,55 V iz litijevega titanata lahko zavira rast litijevega dendrita, s čimer prepreči vžig in eksplozijo v ekstremnih pogojih, zaradi česar je primerna za scenarije z visokim-tveganjem, kot so shranjevanje energije na bencinskih črpalkah in napajalne baterije. Po optimizaciji nanostrukture in prevodne mreže je izboljšana njegova stopnja difuzije ionov, kar omogoča ultra{3}}hitro polnjenje 90 % v 6 minutah. Trenutno se ta material uporablja v 3C hitrih-polnilnih baterijah, električnih avtobusih, elektrarnah za shranjevanje energije in na drugih področjih. Ko se ujema s ternarnimi/litijevimi manganatnimi katodami, specifična energija baterije doseže 70–120 Wh/kg, z izhodno napetostjo v razponu od 2,2 V do 3,2 V.

V vrhunski-raziskavi perovskit{1}}strukturiran-material na osnovi titana Li₂La₂Ti₃O₁₀, o katerem poroča Nature, poveča moč kovalentnih vezi titana-kisika prek psevdo-Jahn-Tellerjevega učinka, kar omogoča nizko-potencialno delovanje pri 0,5 V. Povprečna napetost praznjenja polne baterije se poveča za 50%, kapaciteta pa ostane 100mAh/g pri gostoti toka 4A/g. To prekine tehnično protislovje med visoko varnostjo in visoko specifično energijo ter odpre novo pot za naslednjo generacijo hitrih{13}}polnilnih baterij.

Zaradi prednosti velikih virov natrija so natrijeve-ionske baterije postale ključna usmeritev za-shranjevanje energije v velikem obsegu. Vendar pa pomanjkljivosti delovanja njihovih anod omejujejo industrializacijo. Spojine-na osnovi titana so postale kandidati za jedrne anode zaradi svojih izdatnih virov, nizkih stroškov in stabilne strukture.

Titanov dioksid (TiO₂) je ena izmed najbolj priljubljenih raziskanih anod-na osnovi titana. Njegova anatazna fazna struktura je ugodna za interkalacijo natrijevih ionov, z majhno spremembo prostornine med polnjenjem in praznjenjem, teoretično zmogljivostjo 335 mAh/g in delovnim potencialom 0,3–1,0 V, s čimer se lahko izognete tveganju usedanja natrija. Njegovo shranjevanje natrija temelji na sinergističnem mehanizmu interkalacije in površinske psevdokapacitivnosti, z reverzibilnimi reakcijami Ti⁴⁺/Ti³⁺, ki zagotavljajo motivacijo. Z modifikacijskimi metodami, kot sta nanostrukturna zasnova in prevleka z ogljikom, sta bili hitrost in stabilnost cikla TiO₂ znatno izboljšani.

Natrijev titanov fosfat (NTP) ima tridimenzionalno togo ogrodje-tipa NASICON-z neoviranimi ionskimi transportnimi kanali, stopnjo spremembe prostornine manj kot 3 % in odlično strukturno stabilnostjo. Čeprav je njegova teoretična zmogljivost 133 mAh/g na srednji ravni, je impedanca prenosa naboja zmanjšana z metodami modifikacije, kot sta porozna konstrukcija in dopiranje elementov, kar ima za posledico stabilno delovanje cikla pri visokih stopnjah.

Slojeviti titanati (npr. Na₂Ti₃O₇) imajo teoretično kapaciteto 200 mAh/g, kar je primerno za nizko-napetostne scenarije uporabe. Po dopiranju elementov in optimizaciji elektrolitov sta kinetika difuzije natrijevih ionov in stabilnost cikla dodatno izboljšani, kar prispeva k raznoliki uporabi natrijevih-ionskih baterij.

Razvoj baterijskih materialov-na osnovi titana je osredotočen na tri glavne cilje: izboljšanje zmogljivosti, nadzor stroškov in prilagoditev scenarijev. Oblikovanje nanostruktur, inženiring napak, kompozitna modifikacija in regulacija vmesnikov so ključna tehnična sredstva za izboljšanje njihove učinkovitosti:

Optimizacija morfologije skrajša poti transporta ionov, ogljikova prevleka in prevodne plasti rešujejo težave s prevodnostjo, dopiranje elementov in uvedba prostih mest kisika povečata elektrokemično aktivnost, optimizacija elektrolitov pa zgradi stabilno plast SEI (Solid Electrolyte Interphase).

Sinergijska uporaba tehnologij pomaga materialom-na osnovi titana prebiti ozka grla v zmogljivosti, hitrosti, učinkovitosti itd., s čimer se izvede preskok od laboratorijskih raziskav do industrijske uporabe.