Kā titāna{0}}materiāli ietekmē akumulatora veiktspēju?

Akumulatora materiāla veiktspējas uzlabošana ir kļuvusi par nozares galveno virzītājspēku. Pateicoties tā bagātīgajiem resursiem, videi draudzīgumam, stabilai kristāliskajai struktūrai un lieliskām drošības īpašībām, titāns ir kļuvis par galveno materiālu enerģijas uzglabāšanas akumulatoriem, piemēram, litija{1}}jonu un nātrija{2}} jonu akumulatoriem.

Paļaujoties uz dažādām morfoloģijām un novatorisku dizainu, titāna{0}}materiāli ir jauninājumi tradicionālajos akumulatoros. Tas atbilst enerģijas akumulatoru ātras-uzlādes vajadzībām un enerģijas uzglabāšanas sistēmu ilgmūžības-prasībām, kā arī rada jaunu enerģijas uzkrāšanas paradigmu.

Litija titanāts (Li₄Ti₅O₁₂), tā "nulles- deformācijas" raksturlielums var būtiski novērst elektrodu pulverizāciju un elektrolītu sadalīšanos, nodrošinot akumulatora darbības laiku, kas pārsniedz 20 000 reižu.

Litija titanāta 1,55 V darba sprieguma platforma var kavēt litija dendrīta augšanu, novēršot aizdegšanos un eksploziju ekstremālos apstākļos, padarot to piemērotu augsta-riska scenārijiem, piemēram, degvielas uzpildes staciju enerģijas uzglabāšanai un barošanas akumulatoriem. Pēc nanostruktūras un vadošā tīkla optimizācijas tiek uzlabots tā jonu difūzijas ātrums, panākot īpaši ātru uzlādi par 90% 6 minūtēs. Pašlaik šis materiāls ir izmantots 3C ātrās-uzlādes akumulatoros, elektriskajos autobusos, enerģijas uzkrāšanas spēkstacijās un citās jomās. Saskaņojot ar trīskāršajiem/litija manganāta katodiem, akumulatora īpatnējā enerģija sasniedz 70-120 Wh/kg ar izejas spriegumu no 2,2 V līdz 3,2 V.

Jaunākos -pētījumos perovskīta-strukturētais titāna-materiāls Li₂La₂Ti₃O1₀, par ko ziņots Dabā, uzlabo titāna-skābekļa kovalento saišu stiprumu, izmantojot pseido-mazu Jāna potenciālu{6} un{5} 0,5 V. Pilna akumulatora vidējais izlādes spriegums tiek palielināts par 50%, un jauda saglabājas 100mAh/g pie strāvas blīvuma 4A/g. Tas izjauc tehnisko pretrunu starp augstu drošību un augstu īpatnējo enerģiju, paverot jaunu ceļu nākamās paaudzes ātrās-uzlādes akumulatoriem.

Pateicoties bagātīgo nātrija resursu priekšrocībām, nātrija{0}}jonu baterijas ir kļuvušas par galveno virzienu liela mēroga-enerģijas uzglabāšanai. Tomēr to anodu veiktspējas trūkumi ierobežo industrializāciju. Titāna- bāzes savienojumi ir kļuvuši par galvenajiem anodiem to bagātīgo resursu, zemo izmaksu un stabilās struktūras dēļ.

Titāna dioksīds (TiO₂) ir viens no populārākajiem pētītajiem anodiem uz titāna{0}} bāzes. Tā anatāzes fāzes struktūra ir labvēlīga nātrija jonu interkalācijai ar nelielām tilpuma izmaiņām uzlādes un izlādes laikā, teorētisko jaudu 335 mAh/g un darbības potenciālu 0,3–1,0 V, kas var izvairīties no nātrija nogulsnēšanās riska. Tā nātrija uzglabāšanas pamatā ir sinerģisks interkalācijas un virsmas pseidokapacitātes mehānisms ar atgriezeniskām Ti⁴⁺/Ti³⁺ reakcijām, kas nodrošina motivāciju. Izmantojot modifikācijas metodes, piemēram, nanostruktūras dizainu un oglekļa pārklājumu, TiO₂ ātruma veiktspēja un cikla stabilitāte ir ievērojami uzlabota.

Nātrija titāna fosfātam (NTP) ir NASICON{0}}tipa trīsdimensiju-stingrs karkass ar netraucētiem jonu transportēšanas kanāliem, tilpuma maiņas ātrums, kas mazāks par 3%, un lieliska struktūras stabilitāte. Lai gan tā teorētiskā jauda 133 mAh/g ir vidējā līmenī, lādiņa pārneses pretestība tiek samazināta, izmantojot modifikācijas metodes, piemēram, porainu konstrukciju un elementu dopingu, kā rezultātā tiek nodrošināta stabila cikla veiktspēja ar augstu ātrumu.

Slāņainu titanātu (piemēram, Na₂Ti₃O₇) teorētiskā jauda ir 200 mAh/g, kas ir piemērota zemsprieguma pielietojuma scenārijiem. Pēc elementu dopinga un elektrolītu optimizācijas nātrija jonu difūzijas kinētika un cikla stabilitāte tiek vēl vairāk uzlabota, veicinot nātrija -jonu akumulatoru daudzveidīgu pielietojumu.

Titāna{0}}akumulatoru materiālu izstrāde ir vērsta uz trīs galvenajiem mērķiem: veiktspējas uzlabošanu, izmaksu kontroli un scenāriju pielāgošanu. Nanostruktūras projektēšana, defektu inženierija, kompozītmateriālu modifikācijas un saskarnes regulēšana ir galvenie tehniskie līdzekļi to veiktspējas uzlabošanai:

Morfoloģijas optimizācija saīsina jonu transportēšanas ceļus, oglekļa pārklājums un vadošie slāņi atrisina vadītspējas problēmas, elementu dopinga un skābekļa vakances ieviešana uzlabo elektroķīmisko aktivitāti, un elektrolītu optimizācija konstruē stabilu SEI (Solid Electrolyte Interphase) slāni.

Tehnoloģiju sinerģiska pielietošana palīdz titāna{0}}materiāliem pārvarēt ietilpības, ātruma, efektivitātes u.c. vājās vietas, realizējot lēcienu no laboratorijas pētījumiem uz rūpniecisku pielietojumu.