Диоксид титана может сыграть жизненно важную роль в разработке аккумуляторных батарей следующего поколения.

За батареями будущее. От увеличения количества электромобилей до хранения энергии в масштабе сети, чтобы обеспечить переход к более возобновляемым источникам энергии, стремление к лучшим и долговечным батареям никогда не было таким большим.

Создание таких долговечных батарей большей емкости непросто, и остается еще несколько проблем, которые необходимо решить. Хотя это еще не решение, готовое к коммерческому использованию, исследования показали, что диоксид титана может сыграть важную роль в будущем батарей, в частности аккумуляторных.

Литий-ионные аккумуляторы

Большинство батарей, которые используются для хранения большого количества энергии или предназначены для подзарядки, являются литий-ионными.

Эти батареи накапливают и выделяют энергию, перемещая ионы между отрицательным и положительным «концами» (электродами) через химическое вещество, называемое электролитом. Когда вы заряжаете аккумулятор, ионы движутся к отрицательному электроду. Когда батарея используется, ионы текут к положительному электроду, генерируя электрический ток.

В обычных батареях процесс генерации электрического заряда может происходить только один раз и в одном направлении. Однако в перезаряжаемых литий-ионных батареях химический процесс обратим, что позволяет использовать батарею снова.

Почему диоксид титана?

От замены электродов в новых батареях до ускорения процесса зарядки диоксид титана (TiO ₂ ) оказался полезным во многих отношениях.

«В TiO ₂ есть несколько особенностей, которые могут быть полезны для аккумуляторных батарей», – говорит профессор Колм О’Дуайер из Коркского университета, Ирландия, проводивший исследование по этой теме.

«Во-первых, он позволяет обратимую реакцию с литием, которая является относительно стабильной по сравнению с литийсодержащим графитом, обнаруженным в некоторых электролитах аккумуляторных батарей. Поскольку он может работать в течение очень долгого времени, возможно, это в некоторой степени снижает потребность в переработке батарей ».

Возможность перезарядки батарей становится все более важной для растущего числа используемых мобильных электронных устройств, а также при переходе на возобновляемые формы энергии, где переменное производство солнечной или ветровой энергии может быть сглажено за счет эффективного хранения энергии.

Батареи для нанотрубок

В 2015 году группа исследователей из Сингапурского технологического университета Наньян (NTU) разработала метод превращения наночастиц диоксида титана в нанотрубки путем перемешивания. Эти крошечные трубочки, размером в одну тысячную ширины человеческого волоса, создаются методом перемешивания, при котором частицы удлиняются и приобретают форму трубки.

Гель, содержащий нанотрубки, был помещен в отрицательный электрод литий-ионной батареи вместо традиционного графита. Это ускорило химическую реакцию в электролите, создав батарею, которую можно перезарядить до 70 процентов от ее емкости всего за две минуты, с ожидаемым сроком службы 20 лет. Это означает, что отходы батарей могут быть значительно сокращены.

По мере использования батарей материалы в них начинают разрушаться; это то, что вызывает снижение производительности. Но, как в прошлом году профессор О’Дуайер и его команда обнаружили, когда в литий-ионную батарею была добавлена ​​пористая версия диоксида титана, материалы батареи остались нетронутыми после более 5000 раз зарядки и разрядки.

«Это трехмерное расположение наночастиц рутиловой фазы диоксида титана называется« обратным опалом »и образуется путем заполнения искусственных опалов, изготовленных в лаборатории, активным материалом батареи», – говорит профессор О’Дуайер.

«Обратные опаловые структуры естественным образом встречаются в природе. Эти периодически пористые структуры составляют красочные, переливающиеся части крыльев бабочек, павлиньи перья, структуры экзоскелета долгоносиков и морской мыши, и это лишь некоторые из них ».

В батарее пористая версия диоксида титана является проводящей, и для нее не требуются добавки, которые в настоящее время используются в промышленных электродах батареи.

Кроме того, литий эффективно взаимодействует с пористой структурой, что означает, что аккумулятор быстро перезаряжается.

Литиевые батареи, содержащие TiO _2, могут называться литий-ионными батареями на основе титаната лития (LTO). Помимо улучшенной зарядки и более длительного срока службы литиевые батареи на основе LTO также более безопасны, поскольку компоненты батареи более стабильны.

Нано-лес из литий-ионных аккумуляторов с нанопроволокой.

Помимо лития

Но дело не только в ионах лития.

Когда ион лития перемещается от одного электрода к другому, переносится один электрон. Однако исследователи начали экспериментировать с другими металлами, известными как многовалентные металлы, в которых два или более электронов переносятся на каждый ион. Более эффективный характер реакции может увеличить емкость аккумулятора в два или три раза.

Единственная проблема заключается в том, чтобы решить, какие материалы следует использовать для компонентов этих батарей.

Исследование, опубликованное в сентябре прошлого года группой, в которую входил доктор Бенджамин Морган из химического факультета Университета Бата, Англия, показало, что замена отрицательного электрода диоксидом титана может позволить поливалентной батарее работать.

Это связано с тем, что диоксид титана может быть адаптирован для преднамеренного введения дефектов, которые обеспечивают пространство для заполнения ионами, такими как магний и алюминий (многовалентные ионы), каждый раз перенося более одного электрона.

Влияние этого на батарею заключается в том, что она может хранить больше энергии, чем литий-ионная батарея аналогичного размера.

«Необходимо преодолеть немало технических препятствий, включая поиск материалов, которые являются хорошими электродами для многовалентных ионов», – сказал тогда доктор Морган. «В долгосрочной перспективе это доказательство концепции – возможный шаг к выходу за рамки литиевых батарей с превосходными характеристиками».

Обсуждая исследование новых материалов для аккумуляторов, которые могут иметь множество применений – от мобильных устройств до хранилищ энергосистем, – доктор Морган сказал, что более эффективные аккумуляторы будут «все более и более важными по мере того, как мы отказываемся от ископаемого топлива и перенимаем более экологичные источники энергии».

Будущее

Одним из плюсов использования диоксида титана в аккумуляторах будущего является его широкое распространение.

Вдобавок ко всему, «форма TiO ₂ , после того как он вступит в реакцию с литием, цикл за циклом, очень стабильна во многих электролитах аккумуляторных батарей для длительного использования», – говорит О’Дуайер.

Но остаются некоторые проблемы. «TiO ₂ в качестве анода (положительного электрода) имеет более высокое напряжение, чем используемый в настоящее время графит», – говорит О’Дуайер.

Обычно предпочтительнее более низкое напряжение, потому что это позволяет максимизировать выходное напряжение батареи. «Не все аккумуляторные батареи требуют этого; долговечность стабильной работы также может быть важна для некоторых приложений ».

Поэтому, когда дело доходит до диоксида титана, даже если он может быть разработан для коммерческого использования, он не может быть решением всех проблем с перезаряжаемыми батареями, но может быть решением некоторых.

«Это, возможно, не лучший выбор для аккумуляторов с высокой плотностью энергии, например, для электромобилей», – говорит профессор О’Дуайер.

Но он добавляет, что использование диоксида титана будет полезно для аккумуляторов в других приложениях, например, в ноутбуках или телефонах, «где важна возможность длительного срока службы подзарядки».