كيف تؤثر المواد المعتمدة على التيتانيوم-على أداء البطارية؟

لقد أصبح تحسين أداء مواد البطارية القوة الدافعة الأساسية لهذه الصناعة. نظرًا لموارده الوفيرة، وملاءمته للبيئة، وبنيته البلورية المستقرة، وأداء السلامة الممتاز، أصبح التيتانيوم مادة أساسية لبطاريات تخزين الطاقة مثل بطاريات الليثيوم-أيون والصوديوم-.

وبالاعتماد على أشكال متنوعة وتصميمات مبتكرة، تبتكر المواد{0}المعتمدة على التيتانيوم في البطاريات التقليدية. فهو يلبي احتياجات-الشحن السريع لبطاريات الطاقة ومتطلبات العمر-الطويل لأنظمة تخزين الطاقة، وينشئ نموذجًا جديدًا لتخزين الطاقة.

تيتانات الليثيوم (Li₄Ti₅O₁₂)، يمكن لخاصية "الإجهاد الصفري" الخاصة بها أن تتجنب بشكل أساسي سحق القطب الكهربائي وتحلل الإلكتروليت، مما يتيح للبطارية الحصول على دورة حياة تتجاوز 20000 مرة.

يمكن لمنصة جهد التشغيل 1.55 فولت من تيتانات الليثيوم أن تمنع نمو تشعبات الليثيوم، وتمنع الاشتعال والانفجار في ظل الظروف القاسية، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات-عالية المخاطر مثل تخزين الطاقة في محطات الوقود وبطاريات الطاقة. بعد تحسين البنية النانوية والشبكة الموصلة، تم تحسين معدل انتشار الأيونات، مما يحقق شحنًا فائق السرعة- بنسبة 90% في 6 دقائق. حاليًا، تم تطبيق هذه المادة في بطاريات الشحن السريع 3C-والحافلات الكهربائية ومحطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة وغيرها من المجالات. عندما تتم مطابقتها مع كاثودات منجنات الثلاثي/الليثيوم، تصل الطاقة النوعية للبطارية إلى 70-120Wh/kg، مع جهد خرج يتراوح من 2.2V إلى 3.2V.

في -الأبحاث المتطورة، تعمل مادة البيروفسكايت-التيتانيوم المهيكل-المعتمدة على Li₂La₂Ti₃O₁₀ والتي تم نشرها في Nature على تعزيز قوة روابط التساهمية الأكسجين-التيتانيوم من خلال تأثير-Jahn{5}}Teller الزائف، مما يتيح تشغيل محتمل منخفض- عند 0.5 فولت. يتم زيادة متوسط ​​جهد التفريغ للبطارية الكاملة بنسبة 50%، وتظل السعة 100 مللي أمبير/جرام عند كثافة تيار تبلغ 4 أمبير/جرام. يؤدي هذا إلى كسر التناقض الفني بين الأمان العالي والطاقة النوعية العالية، مما يفتح مسارًا جديدًا للجيل التالي من-بطاريات الشحن السريع.

نظرًا لميزة موارد الصوديوم الوفيرة، أصبحت بطاريات أيون الصوديوم-الاتجاه الرئيسي لتخزين الطاقة-على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن أوجه القصور في أداء الأنودات الخاصة بها تحد من التصنيع. أصبحت المركبات المعتمدة على التيتانيوم- مرشحة للأنود الأساسي نظرًا لمواردها الوفيرة، وتكلفتها المنخفضة، وبنيتها المستقرة.

يعد ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) أحد الأنودات الأكثر شيوعًا والتي تعتمد على التيتانيوم والتي تمت دراستها. إن هيكل طور Anatase الخاص به يساعد على إقحام أيونات الصوديوم، مع تغير صغير في الحجم أثناء الشحن والتفريغ، وقدرة نظرية تبلغ 335 مللي أمبير/جرام، وإمكانية تشغيل تبلغ 0.3-1.0 فولت يمكنها تجنب مخاطر ترسب الصوديوم. يعتمد تخزين الصوديوم الخاص به على آلية تآزرية للإقحام والسعة الكاذبة السطحية، مع تفاعلات Ti⁴⁺/Ti³⁺ القابلة للانعكاس والتي توفر الحافز. من خلال طرق التعديل مثل تصميم البنية النانوية وطلاء الكربون، تم تحسين أداء المعدل واستقرار الدورة لـ TiO₂ بشكل ملحوظ.

يحتوي فوسفات تيتانيوم الصوديوم (NTP) على إطار صلب من نوع NASICON-ثلاثي الأبعاد- مع قنوات نقل أيونية غير معاقة، ومعدل تغير في الحجم أقل من 3%، واستقرار هيكلي ممتاز. على الرغم من أن قدرتها النظرية البالغة 133 مللي أمبير/جرام تكون عند مستوى متوسط، إلا أنه يتم تقليل مقاومة نقل الشحن من خلال طرق التعديل مثل البناء المسامي وتنشيط العناصر، مما يؤدي إلى أداء دورة مستقر بمعدلات عالية.

تتمتع التيتانيومات ذات الطبقات (على سبيل المثال، Na₂Ti₃O₇) بقدرة نظرية تبلغ 200 مللي أمبير/جرام، وهي مناسبة لسيناريوهات تطبيق الجهد المنخفض-. بعد تطعيم العناصر وتحسين الإلكتروليت، يتم تحسين حركية انتشار أيونات الصوديوم واستقرار الدورة بشكل أكبر، مما يساهم في التطبيقات المتنوعة لبطاريات أيون الصوديوم-.

يتمحور تطوير مواد البطاريات المستندة إلى التيتانيوم- حول ثلاثة أهداف أساسية: تحسين الأداء، والتحكم في التكلفة، وتكييف السيناريو. يعد تصميم البنية النانوية وهندسة العيوب والتعديل المركب وتنظيم الواجهة من الوسائل التقنية الرئيسية لتحسين أدائها:

يؤدي تحسين التشكل إلى تقصير مسارات نقل الأيونات، كما يعمل طلاء الكربون والطبقات الموصلة على حل مشكلات التوصيل، كما يعمل تطعيم العناصر وإدخال شواغر الأكسجين على تعزيز النشاط الكهروكيميائي، ويبني تحسين الإلكتروليت طبقة SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب) مستقرة.

يساعد التطبيق التآزري للتقنيات المواد المستندة إلى التيتانيوم-على تجاوز الاختناقات من حيث السعة والمعدل والكفاءة وما إلى ذلك، مما يحقق القفزة من الأبحاث المختبرية إلى التطبيقات الصناعية.