Com afecten els materials basats en titani-el rendiment de la bateria?

L'actualització del rendiment del material de la bateria s'ha convertit en la força motriu principal de la indústria. A causa dels seus recursos abundants, respectuós amb el medi ambient, estructura de cristall estable i excel·lent rendiment de seguretat, el titani s'ha convertit en un material bàsic per a bateries d'emmagatzematge d'energia com les bateries d'ions de liti-ions- i de sodi.

Basant-se en diverses morfologies i dissenys innovadors, els materials basats en titani-innoven en les bateries tradicionals. Compleix les necessitats de-càrrega ràpida de les bateries d'energia i els requisits de llarga-vida útil dels sistemes d'emmagatzematge d'energia, i crea un nou paradigma per a l'emmagatzematge d'energia.

Titanat de liti (Li₄Ti₅O₁₂), la seva característica de "tensió zero-" pot evitar fonamentalment la polverització dels elèctrodes i la descomposició d'electròlits, permetent que la bateria tingui un cicle de vida superior a 20.000 vegades.

La plataforma de tensió de funcionament d'1,55 V de titanat de liti pot inhibir el creixement de les dendrites de liti, evitant l'encesa i l'explosió en condicions extremes, la qual cosa la fa apta per a escenaris d'alt risc-com ara l'emmagatzematge d'energia de les gasolineres i les bateries d'alimentació. Després de l'optimització de la nanoestructura i la xarxa conductora, la seva taxa de difusió d'ions es millora, aconseguint una càrrega ultra-ràpida del 90% en 6 minuts. Actualment, aquest material s'ha aplicat a bateries de càrrega ràpida-3C, autobusos elèctrics, centrals d'emmagatzematge d'energia i altres camps. Quan es combina amb càtodes de manganat ternari/liti, l'energia específica de la bateria arriba als 70-120 Wh/kg, amb una tensió de sortida que oscil·la entre 2,2 V i 3,2 V.

En investigacions d'avantguarda, el material basat en perovskita-titani-estructurat Li₂La₂Ti₃O₁₀ reportat a Nature millora la força dels enllaços covalents de titani-oxigen mitjançant el pseudo{-Jahn-efecte Teller{6}0potenciador, potencialment baix. La tensió de descàrrega mitjana de la bateria completa augmenta un 50% i la capacitat es manté en 100 mAh/g amb una densitat de corrent de 4A/g. Això trenca la contradicció tècnica entre l'alta seguretat i l'alta energia específica i obre un nou camí per a la propera generació de bateries-de càrrega ràpida.

A causa de l'avantatge dels recursos abundants de sodi, les bateries-d'ions de sodi s'han convertit en una adreça clau per a l'emmagatzematge d'energia a gran-escala. Tanmateix, les mancances de rendiment dels seus ànodes restringeixen la industrialització. Els compostos basats en titani-s'han convertit en candidats bàsics a l'ànode a causa dels seus recursos abundants, baix cost i estructura estable.

El diòxid de titani (TiO₂) és un dels ànodes basats-de titani més estudiats. La seva estructura de fase anatasa és favorable a la intercalació d'ions de sodi, amb un petit canvi de volum durant la càrrega i la descàrrega, una capacitat teòrica de 335 mAh/g i un potencial de funcionament de 0,3-1,0 V que pot evitar riscos de deposició de sodi. El seu emmagatzematge de sodi es basa en un mecanisme sinèrgic d'intercalació i pseudocapacitància superficial, amb reaccions Ti⁴⁺/Ti³⁺ reversibles que proporcionen motivació. Mitjançant mètodes de modificació com el disseny de nanoestructura i el recobriment de carboni, el rendiment de la velocitat i l'estabilitat del cicle de TiO₂ s'han millorat significativament.

El fosfat sòdic de titani (NTP) té un marc rígid tridimensional de tipus NASICON-- amb canals de transport iònic sense obstruccions, una taxa de canvi de volum inferior al 3% i una estabilitat estructural excel·lent. Tot i que la seva capacitat teòrica de 133 mAh/g es troba a un nivell mitjà, la impedància de transferència de càrrega es redueix mitjançant mètodes de modificació com ara la construcció porosa i el dopatge d'elements, donant lloc a un rendiment estable del cicle a altes velocitats.

Els titanats en capes (p. ex., Na₂Ti₃O₇) tenen una capacitat teòrica de 200 mAh/g, adequat per a escenaris d'aplicació de baixa tensió-. Després del dopatge d'elements i l'optimització d'electròlits, la cinètica de difusió d'ions de sodi i l'estabilitat del cicle es milloren encara més, contribuint a les aplicacions diversificades de les bateries d'ions de sodi-.

El desenvolupament de materials de bateries basats en titani-es centra en tres objectius principals: millora del rendiment, control de costos i adaptació a l'escenari. El disseny de nanoestructura, l'enginyeria de defectes, la modificació de compostos i la regulació de la interfície són els mitjans tècnics clau per millorar el seu rendiment:

L'optimització de la morfologia escurça els camins de transport d'ions, el recobriment de carboni i les capes conductores resolen problemes de conductivitat, el dopatge d'elements i la introducció de la vacant d'oxigen milloren l'activitat electroquímica i l'optimització d'electròlits construeix una capa estable SEI (interfase d'electròlits sòlids).

L'aplicació sinèrgica de les tecnologies ajuda els materials basats en titani-a superar els colls d'ampolla en capacitat, velocitat, eficiència, etc., aconseguint el salt de la investigació de laboratori a l'aplicació industrial.