Hoe beïnvloeden materialen op basis van titanium- de batterijprestaties?

Het verbeteren van de prestaties van batterijmateriaal is de belangrijkste drijvende kracht van de industrie geworden. Vanwege de overvloedige hulpbronnen, de milieuvriendelijkheid, de stabiele kristalstructuur en de uitstekende veiligheidsprestaties is titanium een ​​kernmateriaal geworden voor energieopslagbatterijen zoals lithium-ion- en natrium-ion-batterijen.

Op basis van diverse morfologieën en innovatieve ontwerpen innoveren op titanium-gebaseerde materialen traditionele batterijen. Het voldoet aan de snelle oplaadbehoeften van krachtbatterijen en de lange{3} levensduurvereisten van energieopslagsystemen, en creëert een nieuw paradigma voor energieopslag.

Lithiumtitanaat (Li₄Ti₅O₁₂), zijn "nul- rek"-karakteristiek kan fundamenteel de verpulvering van de elektroden en de afbraak van elektrolyten voorkomen, waardoor de batterij een levensduur van meer dan 20.000 keer kan hebben.

Het 1,55V-bedrijfsspanningsplatform van lithiumtitanaat kan de groei van lithiumdendriet remmen, waardoor ontsteking en explosie onder extreme omstandigheden wordt voorkomen, waardoor het geschikt is voor scenario's met een hoog-risico, zoals energieopslag bij tankstations en stroombatterijen. Na optimalisatie van de nanostructuur en het geleidende netwerk wordt de ionendiffusiesnelheid verbeterd, waardoor ultra-snel opladen van 90% in 6 minuten wordt bereikt. Momenteel wordt dit materiaal toegepast in 3C-snel-batterijen, elektrische bussen, energieopslagcentrales en andere velden. In combinatie met ternaire/lithiummangaankathodes bereikt de specifieke energie van de batterij 70-120 Wh/kg, met een uitgangsspanning variërend van 2,2 V tot 3,2 V.

Uit baanbrekend{0}}onderzoek blijkt dat het op perovskiet-gestructureerde titanium-gebaseerde materiaal Li₂La₂Ti₃O₁₀, gerapporteerd in Nature, de sterkte van titanium-covalente zuurstofbindingen verbetert via het pseudo-Jahn-Teller-effect, waardoor werking met een laag-potentieel bij 0,5 V mogelijk wordt. De gemiddelde ontlaadspanning van de volle batterij wordt met 50% verhoogd en de capaciteit blijft 100mAh/g bij een stroomdichtheid van 4A/g. Dit doorbreekt de technische tegenstelling tussen hoge veiligheid en hoge specifieke energie, waardoor een nieuwe weg wordt geopend voor de volgende generatie snel-snelladende batterijen.

Vanwege het voordeel van overvloedige natriumbronnen zijn natrium-ionbatterijen een sleutelrichting geworden voor grootschalige- energieopslag. De tekortkomingen in de prestaties van hun anodes beperken de industrialisatie echter. Op titanium-gebaseerde verbindingen zijn kandidaten voor kernanoden geworden vanwege hun overvloedige hulpbronnen, lage kosten en stabiele structuur.

Titaandioxide (TiO₂) is een van de meest populaire bestudeerde anoden op titanium-basis. De anataasfasestructuur is bevorderlijk voor intercalatie van natriumionen, met een kleine volumeverandering tijdens laden en ontladen, een theoretische capaciteit van 335 mAh/g en een bedrijfspotentieel van 0,3-1,0 V, waardoor risico's op natriumafzetting kunnen worden vermeden. De natriumopslag is gebaseerd op een synergetisch mechanisme van intercalatie en pseudocapaciteit aan het oppervlak, waarbij omkeerbare Ti⁴⁺/Ti³⁺-reacties voor motivatie zorgen. Door modificatiemethoden zoals nanostructuurontwerp en koolstofcoating zijn de snelheidsprestaties en cyclusstabiliteit van TiO₂ aanzienlijk verbeterd.

Natriumtitaanfosfaat (NTP) heeft een NASICON-type drie--dimensionaal stijf raamwerk met onbelemmerde ionentransportkanalen, een volumeveranderingssnelheid van minder dan 3% en uitstekende structurele stabiliteit. Hoewel de theoretische capaciteit van 133 mAh/g op een gemiddeld niveau ligt, wordt de impedantie van de ladingsoverdracht verlaagd door middel van modificatiemethoden zoals poreuze constructie en elementdotering, wat resulteert in stabiele cyclusprestaties bij hoge snelheden.

Gelaagde titanaten (bijv. Na₂Ti₃O₇) hebben een theoretische capaciteit van 200 mAh/g, geschikt voor toepassingsscenario's met lage- spanning. Na elementdotering en elektrolytoptimalisatie worden de diffusiekinetiek van natriumionen en de cyclusstabiliteit verder verbeterd, wat bijdraagt ​​aan de gediversifieerde toepassingen van natrium-ionbatterijen.

De ontwikkeling van op titanium-gebaseerde batterijmaterialen is gericht op drie kerndoelen: prestatieverbetering, kostenbeheersing en scenario-aanpassing. Nanostructuurontwerp, defect-engineering, composietmodificatie en interfaceregulering zijn de belangrijkste technische middelen om hun prestaties te verbeteren:

Morfologische optimalisatie verkort de ionentransportpaden, koolstofcoating en geleidende lagen lossen geleidingsproblemen op, elementdoping en introductie van zuurstofvacatures verbeteren de elektrochemische activiteit, en elektrolytoptimalisatie construeert een stabiele SEI-laag (Solid Electrolyte Interphase).

De synergetische toepassing van technologieën helpt op titanium-gebaseerde materialen knelpunten op het gebied van capaciteit, snelheid, efficiëntie, enz. te doorbreken, waardoor de sprong van laboratoriumonderzoek naar industriële toepassing wordt gerealiseerd.