Πώς τα υλικά με βάση το τιτάνιο- επηρεάζουν την απόδοση της μπαταρίας;

Η αναβάθμιση της απόδοσης του υλικού της μπαταρίας έχει γίνει η βασική κινητήρια δύναμη του κλάδου. Λόγω των άφθονων πόρων, της φιλικότητας προς το περιβάλλον, της σταθερής κρυσταλλικής δομής και της εξαιρετικής απόδοσης ασφάλειας, το τιτάνιο έχει γίνει βασικό υλικό για μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- και νατρίου-.

Βασιζόμενοι σε ποικίλες μορφολογίες και καινοτόμα σχέδια, τα υλικά με βάση το τιτάνιο-καινοτομούν στις παραδοσιακές μπαταρίες. Καλύπτει τις ανάγκες γρήγορης-φόρτισης των μπαταριών ισχύος και τις απαιτήσεις μακράς-ζωής των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας και δημιουργεί ένα νέο πρότυπο για την αποθήκευση ενέργειας.

Τιτανικό λίθιο (Li4Ti5O12), το χαρακτηριστικό «μηδενικής-καταπόνησης» του μπορεί να αποτρέψει θεμελιωδώς την κονιοποίηση των ηλεκτροδίων και την αποσύνθεση ηλεκτρολυτών, επιτρέποντας στη μπαταρία να έχει διάρκεια κύκλου άνω των 20.000 φορές.

Η πλατφόρμα τάσης λειτουργίας 1,55 V του τιτανικού λιθίου μπορεί να αναστείλει την ανάπτυξη δενδρίτη λιθίου, αποτρέποντας την ανάφλεξη και την έκρηξη κάτω από ακραίες συνθήκες, καθιστώντας την κατάλληλη για σενάρια υψηλού-κινδύνου όπως αποθήκευση ενέργειας πρατηρίων καυσίμων και μπαταρίες ισχύος. Μετά τη βελτιστοποίηση της νανοδομής και του αγώγιμου δικτύου, ο ρυθμός διάχυσης ιόντων βελτιώνεται, επιτυγχάνοντας εξαιρετικά-ταχεία φόρτιση 90% σε 6 λεπτά. Επί του παρόντος, αυτό το υλικό έχει εφαρμοστεί σε μπαταρίες-ταχείας φόρτισης 3C, ηλεκτρικά λεωφορεία, σταθμούς παραγωγής ενέργειας αποθήκευσης ενέργειας και άλλα πεδία. Όταν συνδυάζεται με τριμερείς/μαγγανικές καθόδους λιθίου, η ειδική ενέργεια της μπαταρίας φτάνει τα 70-120 Wh/kg, με τάση εξόδου που κυμαίνεται από 2,2V έως 3,2V.

Σε έρευνα αιχμής, το-δομημένο τιτάνιο-υλικό με βάση το περοβσκίτη Li2La₂Ti3O10 που αναφέρεται στο Nature ενισχύει την αντοχή των ομοιοπολικών δεσμών τιτανίου-οξυγόνου μέσω της ψευδο-λειτουργίας χαμηλού{5} δυνάμεου{6}Jahn,{5} 0,5V. Η μέση τάση εκφόρτισης της γεμάτης μπαταρίας αυξάνεται κατά 50% και η χωρητικότητα παραμένει 100mAh/g με πυκνότητα ρεύματος 4A/g. Αυτό σπάει την τεχνική αντίφαση μεταξύ υψηλής ασφάλειας και υψηλής ειδικής ενέργειας, ανοίγοντας έναν νέο δρόμο για την επόμενη γενιά μπαταριών{13}ταχείας φόρτισης.

Λόγω του πλεονεκτήματος των άφθονων πόρων νατρίου, οι μπαταρίες ιόντων-νατρίου έχουν γίνει βασική κατεύθυνση για αποθήκευση ενέργειας μεγάλης- κλίμακας. Ωστόσο, οι ελλείψεις απόδοσης των ανόδων τους περιορίζουν την εκβιομηχάνιση. Οι ενώσεις με βάση το τιτάνιο- έχουν γίνει υποψήφιες για άνοδο πυρήνα λόγω των άφθονων πόρων, του χαμηλού κόστους και της σταθερής δομής τους.

Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) είναι ένα από τα πιο δημοφιλή μελετημένα ανόδια με βάση το τιτάνιο-. Η δομή της φάσης ανατάσης ευνοεί την παρεμβολή ιόντων νατρίου, με μικρή αλλαγή όγκου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, μια θεωρητική χωρητικότητα 335 mAh/g και ένα λειτουργικό δυναμικό 0,3-1,0 V που μπορεί να αποφύγει τους κινδύνους εναπόθεσης νατρίου. Η αποθήκευση νατρίου του βασίζεται σε έναν συνεργιστικό μηχανισμό παρεμβολής και επιφανειακής ψευδοχωρητικότητας, με αναστρέψιμες αντιδράσεις Ti4+/Ti3+ που παρέχουν κίνητρο. Μέσω μεθόδων τροποποίησης όπως ο σχεδιασμός νανοδομής και η επίστρωση άνθρακα, η απόδοση του ρυθμού και η σταθερότητα του κύκλου του TiO2 έχουν βελτιωθεί σημαντικά.

Το φωσφορικό νάτριο τιτάνιο (NTP) έχει άκαμπτο πλαίσιο NASICON-τύπου τριών-διαστάσεων με ανεμπόδιστα κανάλια μεταφοράς ιόντων, ρυθμό μεταβολής όγκου μικρότερο από 3% και εξαιρετική δομική σταθερότητα. Αν και η θεωρητική χωρητικότητά του στα 133 mAh/g είναι σε μεσαίο επίπεδο, η σύνθετη αντίσταση μεταφοράς φορτίου μειώνεται μέσω μεθόδων τροποποίησης όπως η πορώδης κατασκευή και το ντόπινγκ στοιχείων, με αποτέλεσμα σταθερή απόδοση κύκλου σε υψηλούς ρυθμούς.

Τα τιτανικά σε στρώσεις (π.χ. Na2Ti3O7) έχουν θεωρητική χωρητικότητα 200 mAh/g, κατάλληλα για σενάρια εφαρμογής χαμηλής{{3} τάσης. Μετά το ντόπινγκ στοιχείων και τη βελτιστοποίηση ηλεκτρολυτών, η κινητική διάχυσης ιόντων νατρίου και η σταθερότητα του κύκλου βελτιώνονται περαιτέρω, συμβάλλοντας στις διαφοροποιημένες εφαρμογές των μπαταριών ιόντων νατρίου-.

Η ανάπτυξη υλικών μπαταριών με βάση το τιτάνιο-επικεντρώνεται σε τρεις βασικούς στόχους: βελτίωση απόδοσης, έλεγχος κόστους και προσαρμογή σεναρίου. Ο σχεδιασμός νανοδομών, η μηχανική ελαττωμάτων, η σύνθετη τροποποίηση και η ρύθμιση διεπαφής είναι τα βασικά τεχνικά μέσα για τη βελτίωση της απόδοσής τους:

Η βελτιστοποίηση μορφολογίας συντομεύει τις διαδρομές μεταφοράς ιόντων, η επίστρωση άνθρακα και τα αγώγιμα στρώματα επιλύουν ζητήματα αγωγιμότητας, το ντόπινγκ στοιχείων και η εισαγωγή κενού οξυγόνου ενισχύουν την ηλεκτροχημική δραστηριότητα και η βελτιστοποίηση ηλεκτρολυτών κατασκευάζει ένα σταθερό στρώμα SEI (Solid Electrolyte Interphase).

Η συνεργιστική εφαρμογή τεχνολογιών βοηθά τα υλικά με βάση το τιτάνιο-να ξεπεράσουν τα σημεία συμφόρησης όσον αφορά τη χωρητικότητα, την ταχύτητα, την απόδοση κ.λπ., πραγματοποιώντας το άλμα από την εργαστηριακή έρευνα στη βιομηχανική εφαρμογή.