כיצד חומרים מבוססי-טיטניום משפיעים על ביצועי הסוללה?

שדרוג ביצועי חומרי הסוללה הפך לכוח המניע של התעשייה. בשל המשאבים הרבים שלו, הידידותיות לסביבה, מבנה הגביש היציב וביצועי הבטיחות המצוינים, טיטניום הפך לחומר ליבה עבור סוללות אחסון אנרגיה כמו סוללות ליתיום-יון ונתרן-יון.

בהסתמך על מורפולוגיות מגוונות ועיצובים חדשניים, חומרים מבוססי טיטניום-מחדשים בסוללות מסורתיות. הוא עונה על צרכי הטעינה המהירה- של סוללות חשמל ועל דרישות החיים הארוכות- של מערכות אחסון אנרגיה, ויוצר פרדיגמה חדשה לאחסון אנרגיה.

ליתיום טיטנאט (Li₄Ti₅O₁₂), מאפיין ה"אפס-מתח" שלו יכול למנוע ביסודו פירוק אלקטרודות ופירוק אלקטרוליטים, מה שמאפשר לסוללה לקבל חיי מחזור העולה על פי 20,000.

פלטפורמת מתח ההפעלה 1.55V של ליתיום טיטנאט יכולה לעכב צמיחת דנדריט של ליתיום, למנוע הצתה ופיצוץ בתנאים קיצוניים, מה שהופך אותה למתאימה לתרחישי סיכון גבוהים- כגון אחסון אנרגיה בתחנת דלק וסוללות חשמל. לאחר אופטימיזציה של הננו-מבנה והרשת המוליכה, קצב פיזור היונים שלו משופר, ומשיג טעינה מהירה במיוחד של 90% תוך 6 דקות. נכון לעכשיו, חומר זה יושם בסוללות-לטעינה מהירה של 3C, אוטובוסים חשמליים, תחנות כוח לאגירת אנרגיה ותחומים אחרים. בהתאמה לקתודות טרנריות/ליתיום מנגנאט, האנרגיה הספציפית של הסוללה מגיעה ל-70-120Wh/kg, עם מתח מוצא שנע בין 2.2V ל-3.2V.

במחקר-מתקדם, החומר המבוסס על טיטניום-על בסיס פרוסקיט Li₂La₂Ti₃O₁₀ שדווח ב-Nature משפר את החוזק של קשרי טיטניום-קוולנטיים חמצן באמצעות פעולת הפסאודו-אפקט Jahn{6}Enpotential נמוך{5}} 0.5V. מתח הפריקה הממוצע של הסוללה המלאה גדל ב-50%, והקיבולת נשארת 100mAh/g בצפיפות זרם של 4A/g. זה שובר את הסתירה הטכנית בין בטיחות גבוהה לאנרגיה ספציפית גבוהה, ופותח נתיב חדש לדור הבא של סוללות טעינה מהירה-.

בשל היתרון של משאבי נתרן בשפע, סוללות -יון נתרן הפכו לכיוון מפתח לאחסון אנרגיה-בקנה מידה גדול. עם זאת, חסרונות הביצועים של האנודות שלהם מגבילים את התיעוש. תרכובות המבוססות על-טיטניום הפכו למועמדות לאנודה הליבה בשל המשאבים הרבים שלהן, העלות הנמוכה והמבנה היציב שלהן.

טיטניום דו חמצני (TiO₂) היא אחת האנודות הפופולריות ביותר שנחקרו על בסיס טיטניום-. מבנה פאזת האנאטאז שלו תורם לאינטרקלציה של יוני נתרן, עם שינוי קטן בנפח במהלך טעינה ופריקה, קיבולת תיאורטית של 335mAh/g ופוטנציאל תפעולי של 0.3-1.0V שיכול למנוע סיכוני שקיעת נתרן. אחסון הנתרן שלו מבוסס על מנגנון סינרגטי של אינטרקלציה ופסאודו-קיבולת פני השטח, עם תגובות Ti⁴⁺/Ti³⁺ הפיכות המספקות מוטיבציה. באמצעות שיטות שינוי כגון עיצוב ננו-מבנה וציפוי פחמן, ביצועי הקצב ויציבות המחזור של TiO₂ שופרו משמעותית.

לנתרן טיטניום פוספט (NTP) יש מסגרת נוקשה מסוג NSICON -סוג תלת- עם תעלות הובלת יונים ללא חסימות, קצב שינוי נפח של פחות מ-3% ויציבות מבנית מעולה. למרות שהקיבולת התיאורטית שלו של 133mAh/g היא ברמה בינונית, עכבת העברת המטען מופחתת באמצעות שיטות שינוי כגון בנייה נקבובי וסימום אלמנטים, וכתוצאה מכך ביצועי מחזור יציבים בקצבים גבוהים.

לטיטנאטים שכבות (למשל, Na₂Ti₃O₇) יש קיבולת תיאורטית של 200mAh/g, המתאימה לתרחישי יישום של מתח נמוך-. לאחר סימום אלמנטים ואופטימיזציה של אלקטרוליטים, קינטיקה של פיזור יוני נתרן ויציבות המחזור משתפרים עוד יותר, מה שתורם ליישומים המגוונים של סוללות -נתרן.

הפיתוח של חומרי סוללה מבוססי-טיטניום מתרכז בשלושה יעדי ליבה: שיפור ביצועים, בקרת עלויות והתאמת תרחישים. תכנון ננו-מבנה, הנדסת פגמים, שינוי מרוכב וויסות ממשקים הם האמצעים הטכניים העיקריים לשיפור הביצועים שלהם:

אופטימיזציה של מורפולוגיה מקצרת נתיבי הובלת יונים, ציפוי פחמן ושכבות מוליכות פותרות בעיות מוליכות, סימום אלמנטים והחדרת מקומות פנויים בחמצן משפרים את הפעילות האלקטרוכימית, ואופטימיזציה של אלקטרוליטים בונה שכבת SEI יציבה (Solid Electrolyte Interphase).

היישום הסינרגטי של טכנולוגיות עוזר לחומרים המבוססים על טיטניום-לפרוץ דרך צווארי בקבוק בקיבולת, קצב, יעילות וכו', ולממש את הקפיצה ממחקר מעבדה ליישום תעשייתי.