Como os materiais-baseados em titânio afetam o desempenho da bateria?

A atualização do desempenho do material da bateria tornou-se a principal força motriz da indústria. Devido aos seus recursos abundantes, respeito ao meio ambiente, estrutura cristalina estável e excelente desempenho de segurança, o titânio se tornou um material essencial para baterias de armazenamento de energia, como baterias de íon-de lítio e íon-de sódio.

Contando com diversas morfologias e designs inovadores, os materiais-à base de titânio inovam em baterias tradicionais. Ele atende às-necessidades de carregamento rápido de baterias de energia e aos requisitos de-vida útil longa dos sistemas de armazenamento de energia, além de criar um novo paradigma para armazenamento de energia.

Titanato de lítio (Li₄Ti₅O₁₂), sua característica de "tensão zero-" pode evitar fundamentalmente a pulverização do eletrodo e a decomposição do eletrólito, permitindo que a bateria tenha um ciclo de vida superior a 20.000 vezes.

A plataforma de tensão operacional de 1,55 V de titanato de lítio pode inibir o crescimento de dendritos de lítio, evitando ignição e explosão sob condições extremas, tornando-a adequada para cenários de alto-risco, como armazenamento de energia em postos de gasolina e baterias de energia. Após a otimização da nanoestrutura e da rede condutora, sua taxa de difusão de íons é melhorada, alcançando um carregamento ultra{3}}rápido de 90% em 6 minutos. Atualmente, esse material tem sido aplicado em baterias de carregamento-rápido 3C, ônibus elétricos, usinas de armazenamento de energia e outros campos. Quando combinada com cátodos ternários/manganato de lítio, a energia específica da bateria atinge 70-120Wh/kg, com uma tensão de saída variando de 2,2V a 3,2V.

Em pesquisas-de ponta, o material à base de perovskita-titânio estruturado-Li₂La₂Ti₃O₁₀ relatado na Nature aumenta a resistência das ligações covalentes de titânio-oxigênio por meio do pseudo{4}}efeito Jahn-Teller, permitindo operação de baixo-potencial a 0,5V. A tensão média de descarga da bateria completa é aumentada em 50% e a capacidade permanece em 100mAh/g a uma densidade de corrente de 4A/g. Isso quebra a contradição técnica entre alta segurança e alta energia específica, abrindo um novo caminho para a próxima geração de baterias de carregamento-rápido.

Devido à vantagem dos abundantes recursos de sódio, as baterias de íons de sódio se tornaram uma direção fundamental para o armazenamento de energia em grande-escala. No entanto, as deficiências de desempenho dos seus ânodos restringem a industrialização. Os compostos-à base de titânio tornaram-se candidatos principais ao ânodo devido aos seus recursos abundantes, baixo custo e estrutura estável.

O dióxido de titânio (TiO₂) é um dos ânodos à base de titânio-estudados mais populares. Sua estrutura de fase anatase é propícia à intercalação de íons de sódio, com uma pequena alteração de volume durante a carga e descarga, uma capacidade teórica de 335mAh/g e um potencial operacional de 0,3-1,0V que pode evitar riscos de deposição de sódio. Seu armazenamento de sódio é baseado em um mecanismo sinérgico de intercalação e pseudocapacitância de superfície, com reações reversíveis de Ti⁴⁺/Ti³⁺ proporcionando motivação. Através de métodos de modificação, como design de nanoestrutura e revestimento de carbono, o desempenho da taxa e a estabilidade do ciclo do TiO₂ foram significativamente melhorados.

O fosfato de titânio e sódio (NTP) tem uma estrutura rígida tridimensional-tipo NASICON-com canais de transporte de íons desobstruídos, uma taxa de alteração de volume inferior a 3% e excelente estabilidade estrutural. Embora a sua capacidade teórica de 133mAh/g esteja num nível médio, a impedância de transferência de carga é reduzida através de métodos de modificação, tais como construção porosa e dopagem de elementos, resultando num desempenho de ciclo estável a taxas elevadas.

Titanatos em camadas (por exemplo, Na₂Ti₃O₇) têm uma capacidade teórica de 200mAh/g, adequada para cenários de aplicação de baixa-tensão. Após a dopagem de elementos e otimização de eletrólitos, a cinética de difusão de íons de sódio e a estabilidade do ciclo são melhoradas ainda mais, contribuindo para as aplicações diversificadas de baterias de íons de sódio.

O desenvolvimento de materiais de bateria-baseados em titânio está centrado em três objetivos principais: melhoria de desempenho, controle de custos e adaptação de cenário. O projeto de nanoestruturas, a engenharia de defeitos, a modificação de compósitos e a regulação de interfaces são os principais meios técnicos para melhorar seu desempenho:

A otimização da morfologia encurta os caminhos de transporte de íons, o revestimento de carbono e as camadas condutoras resolvem problemas de condutividade, a dopagem de elementos e a introdução de vagas de oxigênio melhoram a atividade eletroquímica e a otimização de eletrólitos constrói uma camada SEI (Solid Electrolyte Interphase) estável.

A aplicação sinérgica de tecnologias ajuda os materiais-à base de titânio a superar gargalos de capacidade, taxa, eficiência etc., realizando o salto da pesquisa laboratorial para a aplicação industrial.