Как базираните-на титан материали влияят върху производителността на батерията?

Подобряването на производителността на материала на батерията се превърна в основна движеща сила на индустрията. Благодарение на своите изобилни ресурси, екологосъобразност, стабилна кристална структура и отлични показатели за безопасност, титанът се превърна в основен материал за батерии за съхранение на енергия като литиево-йонни и натриево-йонни батерии.

Разчитайки на различни морфологии и иновативен дизайн, базираните на титан-материали са иновации в традиционните батерии. Той отговаря на нуждите от бързо-зареждане на захранващите батерии и изискванията за дълъг-жизнь на системите за съхранение на енергия и създава нова парадигма за съхранение на енергия.

Литиев титанат (Li₄Ti₅O₁₂), Неговата характеристика на „нулево -напрежение“ може фундаментално да избегне разпрашаването на електрода и разлагането на електролита, което позволява на батерията да има цикъл на живот над 20 000 пъти.

Платформата за работно напрежение от 1,55 V от литиев титанат може да попречи на растежа на литиевия дендрит, предотвратявайки възпламеняване и експлозия при екстремни условия, което я прави подходяща за високо-рискови сценарии като съхранение на енергия в бензиностанции и захранващи батерии. След оптимизиране на наноструктурата и проводимата мрежа, нейната скорост на йонна дифузия е подобрена, постигайки ултра-бързо зареждане от 90% за 6 минути. В момента този материал се прилага в 3C бързо-зареждащи се батерии, електрически автобуси, електроцентрали за съхранение на енергия и други области. Когато се съчетае с тройни/литиево-манганатни катоди, специфичната енергия на батерията достига 70-120Wh/kg, с изходно напрежение, вариращо от 2,2 V до 3,2 V.

В авангардни-изследвания перовскит-структурираният-базиран на титан материал Li₂La₂Ti₃O₁₀, докладван в Nature, повишава силата на титан-кислородните ковалентни връзки чрез псевдо-ефекта на-Ян{5}}Телер, позволявайки работа с нисък-потенциал 0,5 V. Средното разрядно напрежение на пълната батерия се увеличава с 50%, а капацитетът остава 100mAh/g при плътност на тока от 4A/g. Това прекъсва техническото противоречие между висока безопасност и висока специфична енергия, отваряйки нов път за следващото поколение бързо{13}}зареждащи се батерии.

Поради предимството на изобилието от натриеви ресурси, натриево-йонните батерии се превърнаха в ключово направление за-съхранение на енергия в голям мащаб. Въпреки това, недостатъците в производителността на техните аноди ограничават индустриализацията. Съединенията на базата на титан- са се превърнали в кандидати за основен анод поради своите изобилни ресурси, ниска цена и стабилна структура.

Титановият диоксид (TiO₂) е един от най-популярните изследвани аноди на основата-на титан. Неговата анатазна фазова структура е благоприятна за интеркалиране на натриеви йони, с малка промяна на обема по време на зареждане и разреждане, теоретичен капацитет от 335mAh/g и оперативен потенциал от 0,3-1,0V, който може да избегне рисковете от отлагане на натрий. Неговото съхранение на натрий се основава на синергичен механизъм на интеркалиране и повърхностен псевдокапацитет, с обратими Ti4⁺/Ti³⁺ реакции, осигуряващи мотивация. Чрез методи за модифициране като дизайн на наноструктура и въглеродно покритие, производителността на скоростта и стабилността на цикъла на TiO₂ са значително подобрени.

Натриево-титановият фосфат (NTP) има триизмерна твърда рамка от NASICON-тип-с безпрепятствени канали за йонен транспорт, скорост на промяна на обема под 3% и отлична структурна стабилност. Въпреки че неговият теоретичен капацитет от 133 mAh/g е на средно ниво, импедансът на преноса на заряда е намален чрез методи за модификация като пореста конструкция и допиране на елементи, което води до стабилна производителност на цикъла при високи скорости.

Слоестите титанати (напр. Na₂Ti₃O₇) имат теоретичен капацитет от 200 mAh/g, подходящ за сценарии на приложение с ниско-напрежение. След допиране на елемента и оптимизиране на електролита, кинетиката на дифузия на натриеви йони и стабилността на цикъла са допълнително подобрени, допринасяйки за разнообразните приложения на натриево-йонните батерии.

Разработването на батерийни-базирани материали е съсредоточено върху три основни цели: подобряване на производителността, контрол на разходите и адаптиране на сценария. Дизайнът на наноструктури, инженерингът на дефектите, композитната модификация и регулирането на интерфейса са ключовите технически средства за подобряване на тяхната производителност:

Оптимизацията на морфологията съкращава пътищата за транспортиране на йони, въглеродното покритие и проводимите слоеве решават проблеми с проводимостта, допингът на елементите и въвеждането на кислородни ваканции подобряват електрохимичната активност, а оптимизацията на електролита изгражда стабилен слой SEI (интерфаза на твърд електролит).

Синергичното приложение на технологиите помага на базираните-на титан материали да преодолеят затрудненията в капацитета, скоростта, ефективността и т.н., осъществявайки скок от лабораторни изследвания към индустриално приложение.