I. Nikkel-metaalhydridebatterijen:
De kernrol van titanium-gebaseerde waterstofopslaglegeringen Nikkel-metaalhydride (Ni-MH)-batterijen zijn een van de meest volwassen toepassingen van titanium-gebaseerde materialen. Hun negatieve elektrode maakt gebruik van een waterstofopslaglegering, en legeringen op basis van titanium- zijn belangrijke grondstoffen vanwege hun uitstekende omkeerbare waterstofabsorptie- en desorptie-eigenschappen bij hoge temperaturen. Ti-Fe en Ti-Ni-legeringen kunnen bijvoorbeeld, door de vorming van intermetallische verbindingen, stabiel werken in een temperatuurbereik van -20 graden tot 60 graden, en hun capaciteit is twee keer zo groot als die van traditionele nikkel-cadmiumbatterijen. De uit meerdere componenten bestaande TiNi-legering, ontwikkeld in Japan, verbetert de laad-ontlaadefficiëntie en de levensduur van de batterij aanzienlijk door het waterstofdiffusiepad te optimaliseren.
2.De voordelen van waterstofopslaglegeringen op basis van titanium- zijn:
1. Hoge specifieke capaciteit: legeringen op basis van titanium- van het type AB- (zoals TiFe) hebben een theoretische waterstofopslagcapaciteit van 1,86 gew.%;
2. Lange levensduur: na 1000 cycli bedraagt het capaciteitsbehoud nog steeds meer dan 80%;
3. Milieuvriendelijk: vervanging van cadmium-houdende materialen, waardoor het risico op vervuiling door zware metalen wordt geëlimineerd. Momenteel worden op titanium-gebaseerde waterstofopslaglegeringen veel gebruikt in elektrische voertuigen, draagbare elektronische apparaten en andere gebieden, met een wereldwijde jaarlijkse productie van meer dan 100.000 ton. II. Lithium-ionbatterijen: de "veiligheidsrevolutie" van lithiumtitanaat Op het gebied van lithium-ionbatterijen heeft lithiumtitanaat (Li₄Ti₅O₁₂) een technologische revolutie teweeggebracht als negatief elektrodemateriaal. De unieke spinelstructuur zorgt ervoor dat de volumeverandering tijdens het inbrengen/extractie van lithiumionen minder dan 1% bedraagt, waardoor de problemen van gemakkelijke verpulvering en korte levensduur van traditionele grafiet-negatieve elektroden worden opgelost. Het nano-lithiumtitanaatmateriaal van Gree Titanium New Energy bereikt dankzij zelfkristallisatietechnologie met mesoporeuze microbolletjes een snelle oplaadtijd van 6 minuten, een levensduur van 30.000 cycli en stabiele prestaties binnen een breed temperatuurbereik van -50 graden tot 60 graden.
De belangrijkste voordelen van lithiumtitanaatbatterijen zijn:
1. Intrinsiek veilig: geen brand of explosie, strenge tests doorstaan, zoals naaldpenetratie en extrusie;
2. Ultra-lange levensduur: kalenderlevensduur van meer dan 20 jaar, met een reductie van 60% op de totale levensduurkosten;
3. Snelle oplaadprestaties: het capaciteitsbehoud bereikt 90% bij een laad-/ontlaadsnelheid van 10C. Deze kenmerken maken het dominant in scenario's zoals netfrequentieregulering, industriële en commerciële energieopslag en spoorvervoer. China gebruikt bijvoorbeeld Gree-titaniumbatterijen in zijn energieopslagcentrales van het woestijnnetwerk-type om traagheidsondersteuning op milliseconden-niveau te bereiken en de stabiliteit van het elektriciteitsnet te verbeteren.
III. Zonnecellen:
Doorbraak in de efficiëntie van op titanium-gebaseerde materialen Op fotovoltaïsch gebied zijn titaniummaterialen de drijvende kracht achter de ontwikkeling van de derde-generatie zonneceltechnologie. Een in Japan ontwikkelde zonnecel op basis van titanium- maakt gebruik van een composietstructuur van titaniumdioxide (TiO₂) en selenium. Door de hechting tussen de lagen te optimaliseren, verhoogt het de energieomzettingsefficiëntie tot 1000 keer die van traditionele siliciumcellen. Deze technologie doorbreekt het efficiëntieplafond van 29% van traditionele op silicium-gebaseerde cellen, en de sterke corrosieweerstand van titanium verlengt de levensduur van de batterij tot meer dan 25 jaar. De innovaties van op titanium-gebaseerde zonnecellen omvatten: 1. Materiaalinnovatie: het verlaten van op silicium-gebaseerde materialen en het aannemen van een TiO₂/selenium heterojunctiestructuur; 2. Procesoptimalisatie: Verbetering van de grensvlakbinding door middel van atomic layer deposition (ALD) technologie; 3. Kostenreductie: Een nieuw extractieproces verlaagt de titaniumkosten met 80%, wat de prijs van aluminium benadert. Hoewel deze technologie zich nog in het laboratoriumstadium bevindt, heeft het potentieel ervan wereldwijde aandacht getrokken. Als massaproductie wordt gerealiseerd, kan de voetafdruk van één enkele fotovoltaïsche energiecentrale met 90% worden verminderd, waardoor de popularisering van schone energie wordt versneld.
IV. Lood-accu's:
Verbeterde duurzaamheid van op titanium-gebaseerde roosters Op het gebied van traditionele lood-zuurbatterijen verbetert de op titanium-gebaseerde roostertechnologie de levensduur van de batterij aanzienlijk. Het met lood{4}}titanium geplateerde rooster vertoont drie keer de corrosieweerstand in zwavelzuurelektrolyt vergeleken met traditionele lood-calciumlegeringen, waardoor de levensduur wordt verlengd tot meer dan 1500 cycli. Bovendien vermindert het lichtgewicht, op titanium-gebaseerde ontwerp het gewicht van de batterij met 20%, waardoor deze geschikt is voor extreme omgevingen zoals diep-zeeonderzoek en communicatie op grote- hoogte.
Verbeterrichtlijnen voor op titanium-gebaseerde lood-zuuraccu's:
1. Kathode-optimalisatie: gebruik van sub-keramische roosters van titaniumoxide om sulfatering te onderdrukken;
2. Verbetering van de elektrolytenbalans: toevoeging van titanaatesteradditieven om de prestaties bij lage- temperaturen te verbeteren;
3. Structurele innovatie: Ontwikkeling van bipolaire wondbatterijen om de energiedichtheid met 15% te verhogen.
V. Technologische uitdagingen en toekomstperspectieven Hoewel titanium op grote schaal wordt gebruikt in batterijmaterialen, wordt het nog steeds geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van kosten en processen: 1. Materiaalkosten: de prijs van lithiumtitanaat-anodematerialen is 5-10 keer die van grafiet; 2. Productieproces: op titanium-gebaseerde zonnecellen moeten de grootschalige- coatingtechnologie doorbreken; 3. Recyclingsysteem: Op titanium-gebaseerde batterijrecyclingtechnologie is nog niet volwassen en er moet een gesloten industriële keten tot stand worden gebracht.