لیتیوم تیتانات ترکیبی با نام اختصاری LTO، ماده ای به شکل پودر سفید رنگ است که جزء آند باتری لیتیوم-تیتانات سریع شارژ می باشد و همچنین به عنوان افزودنی در مینای چینی و بدنه عایق سرامیکی بر اساس تیتانات ها استفاده می شود.
از این ماده به دلیل پایداری خوب، اغلب به عنوان شار استفاده می شود. در سال های اخیر، همراه با دیگر سرامیک های لیتیم، سنگریزه های متاتیتانات موضوع تلاش های تحقیقاتی در زمینه پرورش مواد تریتیوم در کاربردهای همجوشی هسته ای بوده است.
پایدارترین فاز لیتیم تیتانات β-Li۲TiO۳ است که متعلق به سیستم مونوکلینیک می باشد. فاز مکعبی آن با درجه حرارت بالا که رفتار نوع محلول جامد را نشان می دهد، γ نامیده می شود و ثابت شده است که در دمای ۱۱۵۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتی گراد به طور برگشت پذیر بالا تشکیل می شود.
یک فاز مکعبی متاستابل، ساختاری با عنوان α-Li۲TiO۳ نامیده می شود. که در دماهای پایین شکل می گیرد و در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد به فاز β پایدارتر تبدیل می شود.
خواص و مشخصات شناسایی تیتانات لیتیوم
| خواص | مشخصات |
| شکل فیزیکی پودر سفید | فرمول شیمیایی Li۲TiO۳ |
| دانسیته (g/cm۳) ۳/۴۳ | وزن مولکولی (g/mol) 109/76 |
| نقطه ذوب (۰C) 1533 | شماره (CAS No) ۱۲۰۳۱-۸۲-۲ |
| حلالیت در آب نامحلول | ساختار کریستالی مونوکلینیک، mS48, No. 15 |
پودر لیتیوم تیتانات معمولاً با مخلوط کردن کربنات لیتیوم، محلول Ti-nitrate و اسید سیتریک و سپس کلسیناسیون، فشرده سازی و پخت تهیه می شود. مواد نانوکریستالی ایجاد شده به دلیل خلوص و فعالیت زیاد به عنوان پودر پرورش دهنده استفاده می شوند.
کاربردهای لیتیوم تیتانات
یکی از موارد استفاده از تیتانات لیتیم در پخت می باشد که این فرآیند شامل گرفتن یک پودر، قرار دادن آن در قالب و حرارت دادن آن به زیر نقطه ذوب آن است. پخت بر اساس انتشار اتمی می باشد، اتم های ذرات پودر در ذرات اطراف پخش می شوند و در نهایت یک ماده جامد یا متخلخل ایجاد می کنند. مشخص شده است که پودرهای لیتیم تیتانات دارای خلوص بالا و قابلیت پخت خوب هستند.
لیتیوم تیتانات به عنوان کاتد در لایه یک کاتد دو لایه برای پیل های سوختی کربنات مذاب استفاده می شود. این پیل ها دارای دو لایه ۱ و لایه ۲ هستند که امکان تولید پیل های سوختی کربنات مذاب با قدرت بالا را فراهم می کند که کارآمدتر عمل می کنند.
ترکیب Li۲TiO۳ در کاتد برخی از باتری های لیتیوم-یون، همراه با اتصال دهنده آبی و یک عامل رسانا استفاده می شود زیرا می تواند عوامل رسانای کاتدی با ظرفیت بالا را تثبیت کند. عناصر موجود در تیتانات لیتیوم و همچنین عوامل رسانایی ماده LiMO۲ به منظور ایجاد مواد کاتدی لایه لایه به کار می روند که این لایه ها امکان انتشار لیتیوم را فراهم می کنند.
توسعه تریتیوم در راکتورهای هسته ای ITER
واکنش های همجوشی، مانند واکنش های ارائه شده در راکتور نشان دهنده حرارتی هسته ای ITER، توسط تریتیوم و دوتریوم تغذیه می شوند. در دسترس بودن منابع تریتیوم بسیار محدود است و مجموع منابع در حال حاضر بیست کیلوگرم برآورد شده است.
سنگریزه های سرامیکی حاوی لیتیوم را می توان به عنوان مواد پرورش دهنده جامد در یک جزء معروف به لایه پرورش دهنده خنک شده با هلیوم را برای تولید تریتیوم استفاده کرد. این لایه مولفه اصلی طراحی راکتور ITER را تشکیل می دهد.
در چنین طرح های رآکتوری، تریتیوم توسط نوترون هایی که از پلاسما خارج شده و با لیتیوم موجود در برهم کنش متقابل ایجاد می شود، تولید می شود. تیتانات لیتیم به همراه ترکیب Li۴SiO۴ به عنوان مواد پرورش دهنده تریتیوم جذاب هستند زیرا انتشار تریتیوم بالا، فعال سازی کم و پایداری شیمیایی را نشان می دهند.
باتری های لیتیوم تیتانات
باتری لیتیوم-تیتانات یک باتری قابل شارژ است که سریعتر از سایر باتری های لیتیوم-یونی شارژ می شود که با سایر باتری های لیتیوم-یون تفاوت دارد زیرا از لیتیم-تیتانات در سطح آند به جای کربن استفاده می شود.
این نوع باتری ها این مزیت را دارند که لایه رابط الکترولیت جامد ایجاد نمی کنند، که به عنوان مانعی برای ورود و خروج یون لیتیوم به آند و از آن عمل می کند. این موضوع باعث می شود باتری های لیتیوم-تیتانات سریعتر شارژ شوند و در صورت لزوم جریان های بالاتری را تأمین کنند.
ضعف باتری لیتیوم تیتانات ظرفیت و ولتاژ بسیار کمتر آن نسبت به باتری لیتیوم یون معمولی می باشد، که با این وجود، در حال حاضر در خودروهای برقی و سایر کاربردهای تخصصی مورد استفاده قرار می گیرد.
بررسی ۵ مزیت برتر فناوری باتری های لیتیوم تیتانات
با توجه به مزایای علمی اولیه فناوری نانو با تکنولوژی بالا در تولید باتری های لیتیوم تیتانات (LTO) ، توجه به این نکته که چگونه فناوری جدید بر محصول برای مصرف کننده و قابلیت اطمینان به آن تأثیر مثبت می گذارد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
مزایای باتری های لیتیوم تیتانات از عمر طولانی تا ایمنی بیشتر، عملکرد در دمای پایین و پتانسیل زیاد برای ادغام با راه حل های ذخیره انرژی را شامل می گردد. بیایید مزایای اصلی را دقیق تر بررسی کنیم:
۱. عمر بسیار طولانی
فناوری نانو پیشرفته متشکل از نانوکریستال های لیتیوم-تیتانات و افزایش سطح آنها به ویژه برای افزایش طول عمر این باتری ها طراحی شده است. با بیش از ۳۰ برابر سطح بزرگتر، این فناوری قادر است سریعتر از جایگزین سنتی خود، باتری Li-Io ، دوباره شارژ شود.
تعداد چرخه های باتری لیتیوم تیتانات ۲۰۰۰۰ در مقایسه با ۲۰۰۰ باتری معمولی لیتیوم است، که نشان دهنده یک رویکرد انقلابی در ذخیره انرژی می باشد. برای مصرف کننده، این بدان معناست که برق و قدرت کمتری برای حفظ قدرت باتری مورد نیاز است.
این باتری ها می توانند با خیال راحت بین شش تا ده دقیقه در مقابل ۸ ساعت مورد نیاز سایر باتری های قابل شارژ، شارژ شوند. علاوه بر این، بازدهی شارژ بیش از ۹۸ s است، که رکورد شکنی در زمینه انرژی های تجدیدپذیر است. علاوه بر این، چرخه های شارژ در مقایسه با سایر منابع انرژی بسیار کوتاه تر است.
۲. شارژ و تخلیه سریع باتری لیتیوم تیتانات
باتری های LTO در واقع همان باتری های لیتیوم یونی اصلاح شده پیشرفته ای هستند که از فناوری نانو در قالب نانوکریستال های لیتیم تیتانات به جای مواد کربن معمولی در سطح خود استفاده می کنند.
مزیت فنی این است که سطح آند حدود ۱۰۰ متر مربع در هر گرم از ماده است که مطمئناً در مقایسه با ۳ متر مربع در گرم برای مواد کربن معمولی بسیار بیشتر است.
نرخ تخلیه منظم سلول LTO به الکترون ها اجازه می دهد تا سریعتر وارد آند شوند و از آن خارج شوند، بنابراین امکان شارژ و تخلیه سریع باتری را فراهم می کند.
۳. ایمنی افزایش یافته
علاوه بر افزایش کارایی و صرفه جویی در انرژی، باتری های لیتیوم تیتانات اکسید (لیتیم اکسید تیتانیوم)، به دلیل ایمنی بالا در مقایسه با گزینه های جایگزین شناخته شده اند.
با توجه به ولتاژ کار کمتر این فناوری، مزایای ایمنی قابل توجهی برای مصرف کننده و محیط زیست وجود دارد. از آنجا که باتری های لیتیم تیتانات کاملاً فاقد کربن هستند، از فرار حرارتی یا گرم شدن بیش از حد که عامل اصلی آتش سوزی در سیستم های ذخیره سازی سنتی انرژی است، اجتناب می کنند.
سلول های LTO در برابر سوء استفاده مکانیکی مقاوم هستند و بدون خطر آتش سوزی یا انفجار، فناوری لیتیوم تیتانات امکان ذخیره سازی ایمن، کاربر پسند و کم خطر در هر برنامه ای را فراهم می کند.
۴. عملکرد لیتیوم تیتانات در دمای پایین
مزیت دیگر استفاده از این باتری ها این است که به دلیل فناوری نانو به کار گرفته شده در آنها، در مقایسه با سایر فناوری های باتری عملکرد بسیار بهتری در دمای پایین دارند.
با توجه به ویژگی های تخلیه دمای پایین، می تواند تا بالای ۸۰ درصد از ظرفیت کامل خود را در دمای منفی ۳۰ درجه سانتی گراد به دست آورد. سلول های LTO تخلیه دمای پایین را پشتیبانی می کنند و این امر برای شرکت هایی که از فناوری لیتیوم تیتانات در دماهای پایین تر و در مناطقی با زمستان سرد استفاده می کنند، سود ویژه ای دارد.
۵. هم افزایی ذخیره سازی انرژی
آخرین و مطمئناً مهمترین نکته این است که لیتیوم اکسید تیتانیوم فاصله بین ذخیره انرژی باتری و قدرت شبکه را پر می کند. با توجه به اهمیت روزافزون گزینه های انرژی تجدیدپذیر، این باتری ها باعث ایجاد هم افزایی بین انرژی خورشیدی و باد، ذخیره باتری و شبکه می شود.
ذخیره انرژی مبتنی بر لیتیم تیتانات دارای پتانسیل بالایی در تثبیت سیستم قدرت است، و با پتانسیل گسترده ای در ایجاد یک منبع انرژی تجدیدپذیر که پایدارتر از سایر جایگزین های قبلی می باشد.
آینده منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر به فناوری هایی مانند باتری لیتیوم تیتانات بستگی دارد که در طول عمر طولانی و کارایی بالا، ایمنی بیشتر، قابلیت عملکرد در دمای پایین و پتانسیل وسیع ادغام با نیروی باد، دنیایی از فرصت های خاص را با تمرکز بر صنایع وسایل نقلیه و مصرف انرژی تلفن همراه باز می کنند.