¿Cómo afectan los materiales basados ​​en titanio-al rendimiento de la batería?

La mejora del rendimiento del material de las baterías se ha convertido en la principal fuerza impulsora de la industria. Debido a sus abundantes recursos, su respeto al medio ambiente, su estructura cristalina estable y su excelente rendimiento de seguridad, el titanio se ha convertido en un material fundamental para las baterías de almacenamiento de energía, como las de iones de litio-y de sodio-.

Basándose en diversas morfologías y diseños innovadores, los materiales basados ​​en titanio-innovan en las baterías tradicionales. Satisface las necesidades de carga rápida-de las baterías eléctricas y los requisitos de larga-vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía, y crea un nuevo paradigma para el almacenamiento de energía.

Titanato de litio (Li₄Ti₅O₁₂). Su característica de "deformación cero-puede evitar fundamentalmente la pulverización de los electrodos y la descomposición del electrolito, lo que permite que la batería tenga un ciclo de vida superior a 20.000 veces.

La plataforma de voltaje operativo de 1,55 V de titanato de litio puede inhibir el crecimiento de dendritas de litio, evitando la ignición y la explosión en condiciones extremas, lo que la hace adecuada para escenarios de alto-riesgo, como el almacenamiento de energía en gasolineras y baterías de energía. Después de la optimización de la nanoestructura y la red conductora, se mejora su tasa de difusión de iones, logrando una carga ultra-rrápida del 90 % en 6 minutos. Actualmente, este material se ha aplicado en baterías de carga rápida-3C, autobuses eléctricos, centrales eléctricas de almacenamiento de energía y otros campos. Cuando se combina con cátodos de manganato de litio/ternario, la energía específica de la batería alcanza los 70-120 Wh/kg, con un voltaje de salida que oscila entre 2,2 V y 3,2 V.

En una investigación-de vanguardia, el material a base de perovskita-titanio-estructurado, Li₂La₂Ti₃O₁₀, del que se informa en Nature, mejora la resistencia de los enlaces covalentes de titanio-oxígeno a través del pseudo-efecto Jahn-Teller, lo que permite un funcionamiento de bajo-potencial a 0,5 V. El voltaje de descarga promedio de la batería completa aumenta en un 50% y la capacidad sigue siendo de 100 mAh/g con una densidad de corriente de 4 A/g. Esto rompe la contradicción técnica entre alta seguridad y alta energía específica, abriendo un nuevo camino para la próxima generación de baterías de carga rápida-.

Debido a la ventaja de los abundantes recursos de sodio, las baterías-de sodio se han convertido en una dirección clave para el almacenamiento de energía a gran-escala. Sin embargo, las deficiencias en el rendimiento de sus ánodos restringen la industrialización. Los compuestos a base de titanio-se han convertido en candidatos a ánodos centrales debido a sus abundantes recursos, su bajo costo y su estructura estable.

El dióxido de titanio (TiO₂) es uno de los ánodos a base de titanio-más populares estudiados. Su estructura de fase anatasa favorece la intercalación de iones de sodio, con un pequeño cambio de volumen durante la carga y descarga, una capacidad teórica de 335 mAh/g y un potencial operativo de 0,3-1,0 V que puede evitar los riesgos de deposición de sodio. Su almacenamiento de sodio se basa en un mecanismo sinérgico de intercalación y pseudocapacitancia superficial, con reacciones reversibles de Ti⁴⁺/Ti³⁺ que proporcionan motivación. Mediante métodos de modificación, como el diseño de nanoestructuras y el recubrimiento de carbono, se han mejorado significativamente el rendimiento de la velocidad y la estabilidad del ciclo del TiO₂.

El fosfato de sodio y titanio (NTP) tiene una estructura rígida tridimensional-tipo NASICON-con canales de transporte de iones sin obstrucciones, una tasa de cambio de volumen inferior al 3 % y una excelente estabilidad estructural. Aunque su capacidad teórica de 133 mAh/g se encuentra en un nivel medio, la impedancia de transferencia de carga se reduce mediante métodos de modificación como la construcción porosa y el dopaje de elementos, lo que da como resultado un rendimiento de ciclo estable a velocidades altas.

Los titanatos en capas (p. ej., Na₂Ti₃O₇) tienen una capacidad teórica de 200 mAh/g, adecuada para escenarios de aplicaciones de bajo-voltaje. Después del dopaje de elementos y la optimización de electrolitos, la cinética de difusión de iones de sodio y la estabilidad del ciclo mejoran aún más, lo que contribuye a las aplicaciones diversificadas de las baterías de iones de sodio-.

El desarrollo de materiales para baterías basados ​​en titanio-se centra en tres objetivos principales: mejora del rendimiento, control de costes y adaptación al escenario. El diseño de nanoestructuras, la ingeniería de defectos, la modificación de compuestos y la regulación de la interfaz son los medios técnicos clave para mejorar su rendimiento:

La optimización de la morfología acorta las rutas de transporte de iones, el recubrimiento de carbono y las capas conductoras resuelven problemas de conductividad, el dopaje de elementos y la introducción de vacantes de oxígeno mejoran la actividad electroquímica, y la optimización de electrolitos construye una capa SEI (interfase de electrolito sólido) estable.

La aplicación sinérgica de tecnologías ayuda a los materiales basados ​​en titanio-a superar los obstáculos en capacidad, velocidad, eficiencia, etc., logrando el salto de la investigación de laboratorio a la aplicación industrial.