چگونه مواد مبتنی بر تیتانیوم{0}}روی عملکرد باتری تأثیر می‌گذارند؟

ارتقاء عملکرد مواد باتری به نیروی محرکه اصلی صنعت تبدیل شده است. تیتانیوم به دلیل منابع فراوان، سازگاری با محیط زیست، ساختار کریستالی پایدار و عملکرد ایمنی عالی، به یک ماده اصلی برای باتری‌های ذخیره انرژی مانند باتری‌های لیتیوم-یون و سدیم- تبدیل شده است.

مواد مبتنی بر تیتانیوم با تکیه بر مورفولوژی‌های متنوع و طرح‌های نوآورانه، در باتری‌های سنتی نوآوری می‌کنند. نیازهای{2}}شارژ سریع باتری‌های برق و عمر طولانی-نیازهای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی را برآورده می‌کند و الگوی جدیدی برای ذخیره‌سازی انرژی ایجاد می‌کند.

لیتیوم تیتانات (Li4Ti5O12)، ویژگی «{0}}کرنش صفر» آن می‌تواند اساساً از پودر شدن الکترود و تجزیه الکترولیت جلوگیری کند و باتری را قادر می‌سازد تا عمر چرخه‌ای بیش از 20000 بار داشته باشد.

پلت فرم ولتاژ کاری 1.55 ولت لیتیوم تیتانات می تواند رشد دندریت لیتیوم را مهار کند، از احتراق و انفجار در شرایط شدید جلوگیری کند، و آن را برای سناریوهای پرخطر مانند ذخیره انرژی پمپ بنزین و باتری های برق مناسب می کند. پس از بهینه‌سازی نانوساختار و شبکه رسانا، سرعت انتشار یون آن بهبود می‌یابد و به شارژ سریع 90 درصدی در 6 دقیقه دست می‌یابد. در حال حاضر، این ماده در باتری‌های{8}شارژ سریع 3C، اتوبوس‌های الکتریکی، نیروگاه‌های ذخیره انرژی و سایر زمینه‌ها استفاده شده است. وقتی با کاتدهای منگنات سه تایی/لیتیوم تطبیق داده شود، انرژی ویژه باتری به 70 تا 120 وات ساعت بر کیلوگرم می رسد و ولتاژ خروجی آن از 2.2 ولت تا 3.2 ولت است.

در تحقیقات جدید، ماده مبتنی بر پروسکایت-تیتانیوم ساختاریافته- Li2La2Ti3O10 گزارش شده در Nature، استحکام پیوندهای کووالانسی تیتانیوم-اکسیژن را از طریق شبه{4}عملیات{6}جاهن{6} کم توان{5} افزایش می‌دهد. 0.5 ولت متوسط ​​ولتاژ تخلیه باتری کامل 50٪ افزایش می یابد و ظرفیت 100 میلی آمپر ساعت در گرم با چگالی جریان 4 آمپر بر گرم باقی می ماند. این تضاد فنی بین ایمنی بالا و انرژی ویژه بالا را از بین می‌برد و مسیر جدیدی را برای نسل بعدی باتری‌های{13}شارژ سریع باز می‌کند.

با توجه به مزیت منابع سدیم فراوان، باتری‌های یونی سدیم{0}}به یک جهت کلیدی برای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ تبدیل شده‌اند. با این حال، کاستی های عملکردی آندهای آنها، صنعتی شدن را محدود می کند. ترکیبات مبتنی بر{4}تیتانیوم به دلیل منابع فراوان، هزینه کم و ساختار پایدار به کاندیدای آند اصلی تبدیل شده‌اند.

دی اکسید تیتانیوم (TiO2) یکی از محبوب ترین آندهای مبتنی بر تیتانیوم-است. ساختار فاز آناتاز آن برای تداخل یون سدیم، با تغییر حجم کمی در حین شارژ و تخلیه، ظرفیت نظری 335 میلی آمپر ساعت بر گرم و پتانسیل عملیاتی 0.3-1.0 ولت که می تواند از خطرات رسوب سدیم جلوگیری کند، مساعد است. ذخیره‌سازی سدیم آن بر اساس یک مکانیسم هم افزایی از درون‌سازی و شبه خازن سطحی است، با واکنش‌های برگشت‌پذیر Ti4+/Ti3+ که انگیزه ایجاد می‌کند. از طریق روش‌های اصلاحی مانند طراحی نانوساختار و پوشش کربن، عملکرد نرخ و ثبات چرخه TiO2 به طور قابل‌توجهی بهبود یافته است.

سدیم تیتانیوم فسفات (NTP) دارای چارچوب سفت و سخت NASICON{0}}نوع سه بعدی- با کانال های انتقال یون بدون مانع، نرخ تغییر حجم کمتر از 3 درصد و پایداری ساختاری عالی است. اگرچه ظرفیت تئوری 133mAh/g آن در سطح متوسطی است، امپدانس انتقال بار از طریق روش‌های اصلاحی مانند ساختار متخلخل و دوپینگ عنصر کاهش می‌یابد، که منجر به عملکرد چرخه پایدار در نرخ‌های بالا می‌شود.

تیتانات های لایه ای (مثلا Na2Ti3O7) دارای ظرفیت نظری 200mAh/g هستند که برای سناریوهای کاربرد ولتاژ پایین مناسب است. پس از دوپینگ عنصر و بهینه‌سازی الکترولیت، سینتیک انتشار یون سدیم و پایداری چرخه بیشتر بهبود می‌یابد و به کاربردهای متنوع باتری‌های سدیم- کمک می‌کند.

توسعه مواد باتری مبتنی بر{0}تیتانیوم بر سه هدف اصلی متمرکز است: بهبود عملکرد، کنترل هزینه، و سازگاری با سناریو. طراحی نانوساختار، مهندسی نقص، اصلاح ترکیبی و تنظیم رابط ابزارهای فنی کلیدی برای افزایش عملکرد آنها هستند:

بهینه‌سازی مورفولوژی مسیرهای انتقال یون را کوتاه می‌کند، پوشش کربن و لایه‌های رسانا مسائل مربوط به رسانایی را حل می‌کند، دوپینگ عنصر و معرفی جای خالی اکسیژن باعث افزایش فعالیت الکتروشیمیایی می‌شود و بهینه‌سازی الکترولیت یک لایه SEI (اینترفاز الکترولیت جامد) پایدار می‌سازد.

کاربرد هم افزایی فناوری‌ها به مواد مبتنی بر تیتانیوم کمک می‌کند تا از گلوگاه‌های ظرفیت، سرعت، کارایی و غیره عبور کنند و از تحقیقات آزمایشگاهی به کاربردهای صنعتی جهش پیدا کنند.