Kako materijali na bazi-titana utječu na performanse baterije?

Nadogradnja performansi materijala za baterije postala je glavna pokretačka snaga industrije. Zbog svojih bogatih resursa, prihvatljivosti za okoliš, stabilne kristalne strukture i izvrsnih sigurnosnih performansi, titan je postao temeljni materijal za baterije za pohranu energije kao što su litij-ionske i natrij-ionske baterije.

Oslanjajući se na različite morfologije i inovativne dizajne, materijali na bazi-titana uvode inovacije u tradicionalne baterije. Zadovoljava potrebe brzog-punjenja baterija i zahtjeve dugog-života sustava za pohranu energije te stvara novu paradigmu za pohranu energije.

Litijev titanat (Li₄Ti₅O₁₂), njegova karakteristika "nula-naprezanja" može u osnovi izbjeći raspršivanje elektroda i razgradnju elektrolita, omogućujući bateriji životni vijek veći od 20 000 puta.

Platforma radnog napona od 1,55 V od litijevog titanata može spriječiti rast litijevog dendrita, sprječavajući paljenje i eksploziju u ekstremnim uvjetima, što ga čini prikladnim za visoko-rizične scenarije kao što su skladištenje energije na benzinskim postajama i baterije za napajanje. Nakon optimizacije nanostrukture i vodljive mreže, njegova stopa difuzije iona je poboljšana, postižući ultra-brzo punjenje od 90% u 6 minuta. Trenutno se ovaj materijal primjenjuje u 3C baterijama za brzo-punjenje, električnim autobusima, elektranama za pohranu energije i drugim područjima. U kombinaciji s ternarnim/litij-manganatnim katodama, specifična energija baterije doseže 70-120 Wh/kg, s izlaznim naponom u rasponu od 2,2 V do 3,2 V.

U najnovijim-istraživanjima, perovskit-strukturirani-materijal na bazi titana Li₂La₂Ti₃O₁₀ objavljen u Natureu povećava snagu kovalentnih veza titan-kisika putem pseudo-Jahn-Tellerovog efekta, omogućujući rad niskog-potencijala na 0,5 V. Prosječni napon pražnjenja pune baterije je povećan za 50%, a kapacitet ostaje 100mAh/g pri gustoći struje od 4A/g. Ovo razbija tehničku kontradikciju između visoke sigurnosti i visoke specifične energije, otvarajući novi put za sljedeću generaciju brzo{13}}baterija za punjenje.

Zbog prednosti bogatih izvora natrija, natrij-ionske baterije postale su ključni smjer za-skladištenje energije velikih razmjera. Međutim, nedostaci izvedbe njihovih anoda ograničavaju industrijalizaciju. Spojevi na bazi-titana postali su kandidati za anode jezgre zbog svojih obilnih izvora, niske cijene i stabilne strukture.

Titanijev dioksid (TiO₂) jedna je od najpopularnijih anoda na bazi-titana. Njegova anatazna fazna struktura je pogodna za interkalaciju natrijevih iona, s malom promjenom volumena tijekom punjenja i pražnjenja, teorijskim kapacitetom od 335 mAh/g i radnim potencijalom od 0,3-1,0 V koji može izbjeći rizike taloženja natrija. Njegovo skladištenje natrija temelji se na sinergijskom mehanizmu interkalacije i površinske pseudokapacitivnosti, s reverzibilnim reakcijama Ti⁴⁺/Ti³⁺ koje daju motivaciju. Putem modifikacijskih metoda kao što su nanostrukturni dizajn i ugljična prevlaka, performanse brzine i stabilnost ciklusa TiO₂ značajno su poboljšani.

Natrijev titanijev fosfat (NTP) ima trodimenzionalni kruti okvir NASICON-tipa s neometanim kanalima za prijenos iona, stopom promjene volumena manjom od 3% i izvrsnom strukturnom stabilnošću. Iako je njegov teoretski kapacitet od 133 mAh/g na srednjoj razini, impedancija prijenosa naboja smanjena je putem modificiranih metoda kao što su porozna konstrukcija i dopiranje elemenata, što rezultira stabilnim performansama ciklusa pri visokim brzinama.

Slojeviti titanati (npr. Na₂Ti₃O₇) imaju teoretski kapacitet od 200 mAh/g, što je pogodno za scenarije primjene niskog-napona. Nakon dopiranja elementa i optimizacije elektrolita, kinetika difuzije natrijevih iona i stabilnost ciklusa dodatno su poboljšani, pridonoseći raznolikoj primjeni natrij-ionskih baterija.

Razvoj baterijskih materijala-na bazi titana usredotočen je na tri ključna cilja: poboljšanje performansi, kontrola troškova i prilagodba scenarija. Dizajn nanostrukture, inženjering nedostataka, modifikacija kompozita i regulacija sučelja ključna su tehnička sredstva za poboljšanje njihove učinkovitosti:

Optimizacija morfologije skraćuje puteve transporta iona, ugljična prevlaka i vodljivi slojevi rješavaju probleme vodljivosti, dopiranje elemenata i uvođenje slobodnih mjesta kisika poboljšavaju elektrokemijsku aktivnost, a optimizacija elektrolita stvara stabilan SEI (Solid Electrolyte Interphase) sloj.

Sinergijska primjena tehnologija pomaže materijalima na bazi-titana probiti uska grla u kapacitetu, brzini, učinkovitosti itd., ostvarujući skok od laboratorijskih istraživanja do industrijske primjene.