ลิเธียมไททาเนตคืออะไร?

ลิเธียมไททาเนตเป็นสารประกอบออกไซด์ผสมที่ประกอบด้วยลิเธียม ไทเทเนียม และออกซิเจน โดยทั่วไปจะพบเป็น Li₄Ti₅O₁₂ ที่มีโครงสร้างผลึกสปิเนล วัสดุเซรามิกนี้ทำหน้าที่เป็นวัสดุแอโนดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-โดยเฉพาะ ซึ่งให้ความปลอดภัยและอายุการใช้งานที่ยอดเยี่ยม แม้จะมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแอโนดกราไฟท์ทั่วไป

ลิเธียมไททาเนตมีอยู่ในรูปแบบทางเคมีหลายรูปแบบ แต่ตัวแปรสปิเนล Li₄Ti₅O₁₂ มีอิทธิพลเหนือการใช้งานแบตเตอรี่ สารประกอบนี้มีโครงตาข่ายลูกบาศก์สามมิติ- โดยที่ลิเธียมไอออนจะอยู่ในตำแหน่ง tetrahedral 8a ในขณะที่ไอออนไทเทเนียมจะเติมเต็มตำแหน่ง 16d แปดด้านภายในกรอบออกซิเจน การจัดเรียงนี้สร้างสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่าโครงสร้าง "ศูนย์-ความเครียด"- โดยที่โครงตาข่ายมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรน้อยกว่า 1% ระหว่างรอบการชาร์จและการปล่อยประจุ

โครงสร้างสปิเนลช่วยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่ผ่านคริสตัลได้โดยการกระโดดระหว่างตำแหน่งทรงสี่หน้าและทรงแปดด้าน ในระหว่างการตัดหิน วัสดุจะเปลี่ยนจาก Li₄Ti₅O₁₂ เป็น Li₇Ti₅O₁₂ โดยรองรับลิเธียมไอออนเพิ่มเติมสามไอออนต่อหน่วยสูตร การแทรกนี้เกิดขึ้นที่ประมาณ 1.55V เมื่อเทียบกับโลหะลิเธียม ซึ่งสูงกว่า 0.1V โดยทั่วไปของกราไฟท์แอโนดอย่างมาก

ลิเธียมไททาเนตรูปแบบอื่นๆ ได้แก่ ลิเธียมเมตาไททาเนต (Li₂TiO₃) ผงสีขาวที่มีจุดหลอมเหลวเกิน 1,533 องศาที่ใช้ในการใช้งานเซรามิกและนิวเคลียร์ และลิเธียมไททาเนต ramsdellite (Li₂Ti₃O₇) ซึ่งแสดงให้เห็นประสิทธิภาพในการวิจัยแบตเตอรี่เฉพาะทาง แต่ละตัวแปรมีอัตราส่วนไทเทเนียม-ถึง-ลิเธียมและการจัดเรียงคริสตัลที่แตกต่างกัน ส่งผลให้มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

Lithium Titanate

เมื่อใช้เป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ ลิเธียมไททาเนตจะทำงานโดยพื้นฐานแตกต่างไปจากกราไฟท์ทั่วไป วัสดุจะไม่สร้างชั้นส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์ (SEI) ที่เป็นของแข็งระหว่างรอบเริ่มต้น เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ 1.55V อยู่ภายในหน้าต่างความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ ขั้วบวกกราไฟท์มาตรฐานทำงานใกล้ 0V เทียบกับลิเธียม ทำให้เกิดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่สร้างชั้น SEI ที่ป้องกันแต่ต้านทานได้

ในระหว่างการชาร์จ ไอออนลิเธียมจะย้ายจากแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ และแทรกเข้าไปในโครงสร้างแอโนดลิเธียมไททาเนต Li₄Ti₅O₁₂ รูปแบบนาโนคริสตัลไลน์ให้พื้นที่ผิวประมาณ 100 ตารางเมตรต่อกรัม- มากกว่ากราไฟท์ 30 เท่า พื้นที่ผิวที่ขยายนี้ช่วยให้อิเล็กตรอนเข้าและออกได้อย่างรวดเร็ว รองรับอัตราการชาร์จที่รวดเร็ว

ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้มีดังนี้: Li₄Ti₅O₁₂ + 3Li⁺ + 3e⁻ ↔ Li₇Ti₅O₁₂ ความจุตามทฤษฎีสูงถึง 175 mAh/g แม้ว่าการใช้งานจริงจะสูงถึง 150-170 mAh/g แม้ว่ากราไฟท์จะให้ความจุตามทฤษฎีที่สูงกว่าที่ 372 mAh/g ลิเธียมไททาเนตจะชดเชยด้วยความสามารถในอัตราที่เหนือกว่าและอายุการใช้งานที่ยืนยาว

ศักยภาพรีดอกซ์ที่สูงกว่าของไทเทเนียมออกไซด์เมื่อเปรียบเทียบกับกราไฟท์ทำให้เกิดข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยโดยธรรมชาติ ลิเธียมเดนไดรต์-เข็ม-เหมือนกับโครงสร้างโลหะที่สามารถเจาะตัวแยกแบตเตอรี่และทำให้เกิดการลัดวงจร-ไม่ค่อยเกิดขึ้นบนพื้นผิวของลิเธียมไททาเนต อัตราความปลอดภัยนี้พิสูจน์ได้ว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในปัจจุบันสูง-ซึ่งขั้วบวกแบบเดิมมีความเสี่ยงที่จะหนีความร้อน

แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตแสดงให้เห็นอายุการใช้งานที่สั้นกว่าเคมีลิเธียมไอออนอื่นๆ- เซลล์เชิงพาณิชย์จะมีรอบการชาร์จเต็ม 10,000 ถึง 30,000 รอบ-เป็นประจำ ก่อนที่ความจุจะลดลงเหลือ 80% ของรอบการชาร์จดั้งเดิม ข้อมูลจำเพาะปี 2024 ของโตชิบาอ้างว่า 45,000 รอบที่อัตรา 10C สำหรับเซลล์ SCiB กำลังสูง- เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่ใช้วัสดุทั่วไปจะมีอายุการใช้งาน 2,000-3,000 รอบ

การมีอายุยืนยาวนี้เกิดจากโครงสร้างความเครียดเป็นศูนย์- แอโนดกราไฟต์จะขยายตัวประมาณ 10% ในระหว่างกระบวนการลิไทเอชัน ทำให้เกิดความเครียดเชิงกลที่ทำให้อนุภาคแตกเป็นชิ้นและลดความสามารถในวงจรที่เกิดซ้ำ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรเพียงเล็กน้อยของลิเธียมไททาเนตช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างแม้จะผ่านรอบนับหมื่นครั้งแล้วก็ตาม

การชาร์จอย่างรวดเร็วแสดงถึงคุณลักษณะที่กำหนดอีกประการหนึ่ง แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตสามารถชาร์จจากความจุ 0% ถึง 80% ได้ใน 6-10 นาที โดยไม่มีการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ กองรถโดยสารไฟฟ้าฉงชิ่งปี 2011 แสดงให้เห็นถึงความสามารถนี้ในทางปฏิบัติ-รถเมล์ยาว 12 เมตร 37 คันที่ติดตั้งระบบลิเธียมไททาเนต 80 kWh ชาร์จเต็มใน 10 นาทีโดยใช้เครื่องชาร์จ 400 kW เซลล์พลังงานสูงรุ่นล่าสุดของโตชิบาชาร์จได้ถึง 80% ในเวลาเพียง 1 นาทีที่อัตรา 48C

ประสิทธิภาพของอุณหภูมิทำให้ลิเธียมไททาเนตแตกต่างจากทางเลือกอื่น แบตเตอรี่เหล่านี้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือตั้งแต่ -40 องศาถึง 60 องศา โดยไม่มีการสูญเสียพลังงานตามปกติในเคมีอื่นๆ ในสภาวะที่รุนแรง โครงสร้างสปิเนลที่เสถียรช่วยรักษาค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกตลอดช่วงนี้ ทำให้เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับการติดตั้งในอาร์กติก การใช้งานยานพาหนะในสภาพอากาศร้อน และอุปกรณ์การบินและอวกาศที่การควบคุมอุณหภูมิจะเพิ่มน้ำหนักและความซับซ้อน

ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยภายใต้สภาวะการใช้งานที่ไม่เหมาะสมนั้นเหนือกว่าลิเธียมไอออนประเภทอื่นๆ- เซลล์ลิเธียมไททาเนตผ่านการทดสอบการเจาะตะปู การกระแทก และการชาร์จมากเกินไปโดยไม่มีไฟหรือการระเบิด เกณฑ์การหนีความร้อนของวัสดุอยู่ที่ประมาณ 270 องศา ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิในการทำงานและสูงกว่าเคมีภัณฑ์ทางเลือกส่วนใหญ่ โปรไฟล์ความปลอดภัยนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงความจำเป็นสำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่- เช่น พื้นที่จัดเก็บกริดซึ่งความล้มเหลวของเซลล์เดียวอาจเกิดขึ้นได้

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญที่สุดคือความหนาแน่นของพลังงาน แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตให้พลังงานเพียง 30-110 Wh/kg แบบกราวิเมตริก และสูงถึง 177 Wh/L ในเชิงปริมาตร แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนทั่วไปที่ใช้กราไฟท์แอโนดและโคบอลต์แคโทด-แมงกานีส-นิกเกิลมีกำลัง 200-300 Wh/kg ข้อเสียสามถึงสิบเท่านี้หมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตใช้พื้นที่มากขึ้นและมีน้ำหนักมากขึ้นเพื่อการจัดเก็บพลังงานที่เท่ากัน

ความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่านั้นสืบเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าในการทำงานโดยตรง เซลล์ลิเธียมไททาเนตผลิตแรงดันไฟฟ้าปกติ 2.3-2.4V เทียบกับ 3.6-3.7V สำหรับลิเธียมไอออนมาตรฐาน- การสูญเสียแรงดันไฟฟ้านี้-ซึ่งคิดเป็นประมาณ 1V- แปลโดยตรงเป็นการกักเก็บพลังงานที่ลดลงต่อมวลหน่วย การใช้งานที่น้ำหนักและปริมาตรมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและยานพาหนะไฟฟ้าระยะไกล โดยทั่วไปไม่สามารถยอมรับข้อดีข้อเสียนี้ได้

ต้นทุนถือเป็นอุปสรรคอีกประการหนึ่งในการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตมีราคาเฉลี่ยประมาณ 1.50 เหรียญสหรัฐฯ ต่อวัตต์-ชั่วโมง ในขณะที่เซลล์ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีราคาประมาณ 0.40 เหรียญสหรัฐฯ ต่อวัตต์-ชั่วโมง ราคาพรีเมียมเกิดจากปัจจัยหลายประการ: ข้อกำหนดในการสังเคราะห์ที่ซับซ้อน การควบคุมความชื้นที่แม่นยำระหว่างการผลิต สารตั้งต้นที่ทำจากไทเทเนียม-ที่มีราคาแพง และปริมาณการผลิตที่ลดลงเมื่อเทียบกับเคมีทั่วไป

กระบวนการผลิตต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวัง การเผา Li₄Ti₅O₁₂ ต้องใช้อุณหภูมิ 600-850 องศา ขึ้นอยู่กับวิธีการสังเคราะห์ โดยมีเวลาในการประมวลผลนานกว่าการเตรียมอิเล็กโทรดกราไฟท์ ร่องรอยของแอนาเทสหรือรูไทล์ TiO₂ อาจเกิดขึ้นได้หากการควบคุมอุณหภูมิไม่เพียงพอ ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าลดลง ลิเธียมไททาเนตที่มีโครงสร้างนาโนคุณภาพสูงต้องการอุปกรณ์การผลิตที่ทันสมัยและความเชี่ยวชาญ

รถโดยสารไฟฟ้าถือเป็นการนำเทคโนโลยีลิเธียมไททาเนตไปใช้เชิงพาณิชย์ที่ใหญ่ที่สุด ความสามารถในการชาร์จที่รวดเร็วของสารเคมีช่วยให้สามารถชาร์จได้ที่ป้ายรถเมล์ ทำให้แบตเตอรี่มีขนาดเล็กลงซึ่งชดเชยน้ำหนักที่ลดลง Microvast เป็นผู้จัดหาแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตให้กับผู้ผลิตรถบัสไฟฟ้าในยุโรป รวมถึงรถสองชั้น New Routemaster ของ Wrightbus- ในลอนดอน ซึ่งมี 1,000 หน่วยทำงานด้วยระบบแบตเตอรี่ 18 kWh

ระบบกักเก็บพลังงานแบบกริดปรับใช้ลิเธียมไททาเนตมากขึ้นเพื่อการควบคุมความถี่และบริการเสริม Altairnano ได้สร้างโรงงานจัดเก็บพลังงานขนาด 20 MW/5 MWh โดยใช้เทคโนโลยีลิเธียมไททาเนต การติดตั้งเหล่านี้จะจัดลำดับความสำคัญของเวลาตอบสนองและอายุการใช้งานของวงจรมากกว่าความหนาแน่นของพลังงาน-คุณลักษณะที่ลิเธียมไททาเนตมีความเป็นเลิศ แบตเตอรี่สามารถตอบสนองความแปรผันของความถี่กริดภายในมิลลิวินาที และทนทานต่อการปั่นจักรยานในแต่ละวันเป็นเวลา 30-40 ปี

การใช้งานทางรถไฟใช้ประโยชน์จากความทนทานต่ออุณหภูมิและความปลอดภัยของลิเธียมไททาเนต แบตเตอรี่ Siemens Mireo Plus B- รถไฟฟ้าเริ่มให้บริการในเดือนเมษายน 2024 ซึ่งขับเคลื่อนโดยเซลล์ลิเธียมไททาเนตของโตชิบาซึ่งมีอายุการใช้งานที่คาดหวัง 15- ปี หัวรถจักรโหมดไตร-ของรถไฟอังกฤษ Class 93 ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตเพื่อวิ่งบนส่วนของเส้นทางที่ไม่ใช้ไฟฟ้า รถไฟชินคันเซ็น N700S ของญี่ปุ่นใช้เทคโนโลยีสำหรับการทำงานที่ความเร็วต่ำในกรณีฉุกเฉินในระหว่างที่ไฟฟ้าขัดข้อง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคนำลิเธียมไททาเนตมาใช้ในกรณีพิเศษที่ต้องการการชาร์จอย่างรวดเร็วหรือความน่าเชื่อถือสูงสุด Galaxy Note series ของ Samsung ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตในปากกาสไตลัส S- ช่วยให้สแตนด์บายได้นาน 10 ชั่วโมงจากการชาร์จ 40 วินาที นาฬิกา Seiko Kinetic เปลี่ยนตัวเก็บประจุด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตเพื่อปรับปรุงความสามารถในการกักเก็บพลังงานและอายุการใช้งาน

อุปกรณ์อุตสาหกรรมตั้งแต่ยานพาหนะนำทางอัตโนมัติไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์เคลื่อนที่จะเลือกใช้ลิเธียมไททาเนตเมื่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของวงจรทำให้ต้นทุนสูงขึ้น สถานีตรวจอากาศ Tempest ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตขนาด 1,300 mAh ที่ชาร์จผ่านแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งต้องการแสงแดดเพียง 4 ชั่วโมงทุกสองสัปดาห์ การใช้งานทางการทหารและการบินและอวกาศให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพของสารเคมีในอุณหภูมิที่สูงมากและการทนทานต่ออันตรายจากไฟไหม้

หากต้องการทำความเข้าใจว่าลิเธียมไททาเนตเหมาะกับจุดใด ควรรู้แบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไรโดยทั่วไป-อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบชาร์จได้ซึ่งจะย้ายลิเธียมไอออนระหว่างอิเล็กโทรดเพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า ภายในกลุ่มแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนนี้ ลิเธียมไททาเนตครอบครองพื้นที่เฉพาะที่กำหนดโดยวัสดุแอโนด แบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ใช้กราไฟท์แอโนดที่จับคู่กับแคโทดต่างๆ-ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP), นิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ (NMC) หรือลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตสร้างความแตกต่างโดยใช้ Li₄Ti₅O₁₂ เป็นขั้วบวก ซึ่งโดยทั่วไปจะจับคู่กับลิเธียมแมงกานีสออกไซด์หรือแคโทดลิเธียมเหล็กฟอสเฟต

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ LFP ลิเธียมไททาเนตมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 5-10 เท่าและประสิทธิภาพ-ในสภาพอากาศหนาวเย็นที่เหนือกว่า แต่ให้ความหนาแน่นของพลังงานเพียงหนึ่ง-ในสามถึงครึ่งหนึ่งเท่านั้น เซลล์ LFP มีราคาประมาณ 0.40 เหรียญสหรัฐฯ/Wh เทียบกับ 1.50 เหรียญสหรัฐฯ/Wh สำหรับลิเธียมไททาเนต เคมีทั้งสองเน้นความปลอดภัยมากกว่าความหนาแน่นของพลังงาน ทำให้เป็นทางเลือกสำหรับการใช้งานที่มีความเสี่ยงจากไฟไหม้ก่อให้เกิดผลกระทบร้ายแรง

แบตเตอรี่ NMC และ NCA ครองการใช้งานรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการช่วงสูงสุด เคมีเหล่านี้ให้ความหนาแน่นพลังงานของลิเธียมไททาเนต 200-250 Wh/kg-สองเท่าหรือสามเท่า-ทำให้สามารถวิ่งได้ 300-500 ไมล์ อย่างไรก็ตาม วงจรเหล่านี้หมุนเวียนเพียง 1,000-2,000 ครั้งและก่อให้เกิดความเสี่ยงจากความร้อนที่มากขึ้น ยานพาหนะไฟฟ้าที่ให้ความสำคัญกับราคาต่อไมล์ในระยะยาวและการชาร์จที่รวดเร็ว เช่น กองยานพาหนะขนส่งสินค้าในเมืองและรถโดยสารประจำทางในเมือง อาจยอมรับการปรับระยะของลิเธียมไททาเนตเพื่อประโยชน์ในการดำเนินงาน

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเกิดใหม่ เช่น แบตเตอรี่โซลิดสเตต-และเซลล์โซเดียม- ลิเธียมไททาเนตถือเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในเชิงพาณิชย์ แบตเตอรี่โซลิด-รับประกันความหนาแน่นของพลังงานและความปลอดภัยที่สูงขึ้น แต่ยังคงอยู่ใน-การพัฒนาเชิงพาณิชย์พร้อมกับความท้าทายในการผลิต แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนมีต้นทุนวัสดุที่ต่ำกว่า แต่มีความหนาแน่นของพลังงานใกล้เคียงกับลิเธียมไททาเนตที่มีอายุการใช้งานสั้นกว่า การคาดการณ์ตลาดสำหรับปี 2025-โครงการลิเธียมไททาเนตในปี 2033 ยังคงรักษากลุ่มตลาดเฉพาะ ในขณะที่เทคโนโลยีใหม่ๆ ตอบสนองต่อการใช้งานในตลาดมวลชน

Lithium Titanate

ตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตทั่วโลกมีมูลค่าถึง 75.61 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ-80.65 พันล้านดอลลาร์ในปี 2567 จากข้อมูลของบริษัทวิจัยตลาดหลายแห่ง โดยคาดว่าจะมีมูลค่าตั้งแต่ 237-308 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2576-2577 ซึ่งแสดงถึงอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้นที่ 10-14.4% โดยมีสาเหตุหลักมาจากการใช้รถยนต์ไฟฟ้า การขยายพื้นที่จัดเก็บกริด และความต้องการโครงสร้างพื้นฐานที่ชาร์จเร็ว

เอเชีย-แปซิฟิกครอบงำการผลิตและการบริโภค โดยคิดเป็นประมาณ 60% ของความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตทั่วโลกในปี 2024 แผนห้าปีที่ 14 ของจีน-ตั้งเป้าหมายการเติบโตของการผลิตพลังงานหมุนเวียน 50% ในช่วงปี 2020-2025 โดยกระตุ้นการลงทุนในพื้นที่จัดเก็บกริดที่ซึ่งอายุการใช้งานยาวนานของลิเธียมไททาเนตให้ความได้เปรียบทางเศรษฐกิจตลอดอายุโครงการ 20-30 ปี ญี่ปุ่น ซึ่งเป็นที่ตั้งของเทคโนโลยี SCiB ของโตชิบา ยังคงรักษาการนำลิเธียมไททาเนตมาใช้อย่างแข็งแกร่งในการขนส่งทางรถไฟและการใช้งานทางอุตสาหกรรม

อเมริกาเหนือมีส่วนแบ่งการตลาดประมาณ 36% โดยมีผู้ผลิตที่มีชื่อเสียงอย่าง Altairnano และผู้เล่นหน้าใหม่อย่าง Grinergy ที่กำลังขยายกำลังการผลิต การลงทุนด้านเทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูงของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ มูลค่า 258 ล้านดอลลาร์ รวมถึงการพัฒนาลิเธียมไททาเนตสำหรับการใช้งานเฉพาะทางที่ลิเธียมไอออนแบบเดิม-ไม่เพียงพอ

ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ Toshiba (แบรนด์ SCiB), Altairnano (Nanosafe), Microvast (LpTO), Leclanché (TiBox) และผู้ผลิตในจีน รวมถึง Yinlong Battery Technology ที่ Gree Electric เข้าซื้อกิจการ การขยายกำลังการผลิตมุ่งเน้นไปที่การลดต้นทุนผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและการประหยัดจากขนาดมากกว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมีขั้นพื้นฐาน

แนวทางการวิจัยเน้นย้ำถึงข้อจำกัดหลักของลิเธียมไททาเนต ทีมงานทั่วโลกตรวจสอบการเติมไนโอเบียม แมกนีเซียม หรือองค์ประกอบอื่นๆ เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและความจุ การปรับเปลี่ยนพื้นผิว รวมถึงการเคลือบคาร์บอนและโครงสร้างนาโนมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอัตรา กลยุทธ์โอเวอร์ลิธิเอชั่นสำรวจการหมุนเวียนเกิน Li₇Ti₅O₁₂ เพื่อรับความจุเพิ่มเติม แม้ว่าสิ่งนี้จะกระทบต่อความได้เปรียบจากความเครียดที่เป็นศูนย์-ก็ตาม

โดยทั่วไปการผลิตลิเธียมไททาเนตจะเป็นไปตามเส้นทางการสังเคราะห์สถานะของแข็ง-หรือสถานะของเหลว- ซึ่งแต่ละเส้นทางมีข้อได้เปรียบที่แตกต่างกัน วิธีสถานะ-ของแข็งที่อุณหภูมิสูง-แบบดั้งเดิมจะผสมลิเธียมคาร์บอเนต (Li₂CO₃) และไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ในอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ จากนั้นจึงเผาส่วนผสมที่ 700-850 องศาเป็นเวลา 10-24 ชั่วโมง วิธีการนี้พิสูจน์ได้ง่ายและสามารถปรับขนาดได้ แต่สร้างอนุภาคที่ค่อนข้างใหญ่ (500nm-5μm) โดยมีพื้นที่ผิวต่ำกว่า

วิธีโซล-ช่วยให้สามารถควบคุมขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาได้ดีขึ้น นักวิจัยละลายไทเทเนียมอัลคอกไซด์ เช่น เตตร้าบิวทิลไททาเนตด้วยลิเธียมไฮดรอกไซด์ในตัวทำละลายอินทรีย์ จากนั้นจึงเจลและแคลซีนที่อุณหภูมิ 600-800 องศา ผลลัพธ์ที่ได้คือลิเธียมไททาเนตที่มีขนาดอนุภาคต่ำกว่า 200 นาโนเมตร และพื้นที่พื้นผิวสูงกว่าถึง 100 ตร.ม./กรัม ซึ่งช่วยให้สามารถชาร์จได้รวดเร็ว อย่างไรก็ตาม กระบวนการโซล-เจลจำเป็นต้องมีการควบคุมความชื้นอย่างระมัดระวังและมีราคาแพงกว่าการสังเคราะห์โซลิดสเตต

การสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอลจะผลิตลิเธียมไททาเนตที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (120-200 องศา ) โดยทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นในสารละลายน้ำที่มีแรงดัน วิธีการนี้จะสร้างท่อนาโนและลวดนาโนที่มีสัณฐานวิทยาเฉพาะตัว แต่ต้องใช้อุปกรณ์แรงดันสูงเฉพาะทาง และสร้างกระแสของเสียที่เป็นของเหลวซึ่งต้องการการบำบัด

วิธีเกลือหลอมเหลวจะระงับสารตั้งต้นในอ่างเกลือที่ละลายต่ำ- (โดยทั่วไปคือสารผสม LiCl-KCl) ที่อุณหภูมิ 500-700 องศา ตัวกลางที่เป็นของเหลวช่วยให้เกิดการแพร่กระจายของไอออนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดลิเธียมไททาเนตที่มีผลึกสูงพร้อมคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ดี แม้ว่าพลังงาน-จะมีประสิทธิภาพเมื่อเปรียบเทียบกับเส้นทางโซลิดสเตตแบบดั้งเดิม แต่วิธีการเกลือหลอมเหลวต้องใช้ระบบการนำเกลือกลับมาใช้ใหม่และการรีไซเคิล

การควบคุมคุณภาพในระหว่างการผลิตถือเป็นเรื่องสำคัญ การเลี้ยวเบนของรังสี X- ช่วยยืนยันความบริสุทธิ์ของเฟส เนื่องจากปริมาณแอนาเทสหรือรูไทล์ TiO₂ ที่ติดตามจะลดประสิทธิภาพลง การกระจายขนาดอนุภาคส่งผลต่อการประมวลผลอิเล็กโทรดและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่-มีขนาดใหญ่เกินไปและค่าการนำไฟฟ้าลดลง เล็กเกินไปและอนุภาคจับตัวเป็นก้อน ปริมาณความชื้นต้องต่ำกว่า 100 ppm เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรไลต์ระหว่างการประกอบเซลล์

โดยทั่วไปแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตจะมีรอบการชาร์จเต็ม 10,000 ถึง 30,000 รอบ- ก่อนที่จะถึงความจุ 80% โดยมีรุ่นพลังงานสูงบางรุ่น-ที่พิกัดไว้ที่ 45,000 รอบ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนปกติ-ที่ใช้กราไฟท์แอโนดมีอายุการใช้งาน 2,000-3,000 รอบภายใต้สภาวะที่คล้ายกัน ข้อได้เปรียบด้านอายุการใช้งานยาวนาน 5-15 เท่านี้แปลเป็นอายุการใช้งาน 20-30 ปีในการใช้งานที่มีการหมุนเวียนรายวัน เทียบกับ 5-8 ปีสำหรับลิเธียมไอออนทั่วไป

ข้อเสียด้านความหนาแน่นของพลังงานทำให้ลิเธียมไททาเนตใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาไม่ได้ แบตเตอรี่สมาร์ทโฟนที่ใช้ลิเธียมไททาเนตจะมีขนาดใหญ่กว่าและหนักกว่าแบตเตอรี่รุ่นปัจจุบันถึง 2-3 เท่า เพื่อให้รันไทม์ที่เทียบเท่ากัน ผู้บริโภคให้ความสำคัญกับขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์มากกว่าข้อเสนอของลิเธียมไททาเนตในการชาร์จที่รวดเร็วและอายุการใช้งานที่ยาวนาน ต้นทุนที่สูงขึ้นยังขัดขวางการยอมรับในตลาดผู้บริโภคที่อ่อนไหวด้านราคาอีกด้วย

ใช่ แบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตสามารถชาร์จได้เร็วกว่าเครื่องชาร์จซุปเปอร์ชาร์จเจอร์ของ Tesla ในปัจจุบันอย่างมากเมื่อได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม เซลล์ล่าสุดของ Toshiba ชาร์จได้ถึง 80% ใน 1-6 นาที ขึ้นอยู่กับระดับพลังงาน ในขณะที่ Tesla Superchargers ต้องใช้เวลา 15-20 นาทีสำหรับระดับการชาร์จที่ใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จพลังงานสูงเฉพาะทาง (400+ กิโลวัตต์) ซึ่งไม่มีให้ใช้อย่างแพร่หลาย และการลดความหนาแน่นของพลังงานหมายความว่ายานพาหนะลิเธียมไททาเนตจะมีระยะทางที่สั้นกว่าสำหรับน้ำหนักแบตเตอรี่ที่เท่ากัน

ปัจจัยสามประการที่ปรับปรุงความปลอดภัยของลิเธียมไททาเนต: ประการแรก ศักยภาพในการทำงาน 1.55V จะป้องกันการก่อตัวของลิเธียมเดนไดรต์ที่ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในในขั้วบวกกราไฟท์ ประการที่สอง วัสดุไม่ก่อให้เกิดส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรไลต์แข็งที่สามารถสลายตัวแบบคายความร้อนได้ ประการที่สาม ค่าขีดจำกัดการหนีความร้อนที่ 270 องศานั้นสูงกว่าอุณหภูมิของสภาวะการละเมิดส่วนใหญ่ และโครงสร้างความเครียดเป็นศูนย์-จะต้านทานความเสียหายทางกลจากการกระแทก คุณลักษณะเหล่านี้ช่วยให้เซลล์ลิเธียมไททาเนตสามารถผ่านการทดสอบการเจาะตะปูและการทดสอบการกระแทกโดยไม่มีไฟหรือการระเบิด

Lithium Titanate

ลิเธียมไททาเนตอยู่ในกลุ่มเฉพาะที่กำหนดแต่กำลังเติบโตในการกักเก็บพลังงาน เทคโนโลยีนี้จะไม่แทนที่ลิเธียมไอออนแบบเดิม-ในสมาร์ทโฟนหรือยานพาหนะระยะไกล- ซึ่งความหนาแน่นของพลังงานจะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการใช้งาน แต่จะเน้นไปที่การใช้งานที่อายุการใช้งานของวงจร ความปลอดภัย การชาร์จเร็ว หรือความทนทานต่ออุณหภูมิ ถือเป็นเหตุผลที่ยอมรับความหนาแน่นของพลังงานที่ลดลงและต้นทุนที่สูงขึ้น

วิถีการเติบโตที่ชัดเจนที่สุดปรากฏในการขนส่งสาธารณะ โดยที่การชาร์จโดยมีโอกาสทำให้แบตเตอรี่มีขนาดเล็กลง ซึ่งชดเชยน้ำหนักได้บางส่วน และในกรณีที่การเปลี่ยนแบตเตอรี่มีค่าใช้จ่ายมากกว่าอายุการใช้งานของยานพาหนะ 12-15 ปี เอื้อต่อการใช้สารเคมีที่ทนทาน พื้นที่จัดเก็บแบบกริดแสดงถึงความพอดีตามธรรมชาติอีกประการหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับบริการควบคุมความถี่ที่ต้องใช้รอบตื้นนับพันครั้งต่อวันตลอดหลายทศวรรษ

การพัฒนาล่าสุดในแนวทางแบบไฮบริดแสดงให้เห็นถึง-การรวมแอโนดลิเธียมไททาเนตเข้ากับแคโทดความจุสูง-ขั้นสูง หรือใช้ลิเธียมไททาเนตในขอบเขต-ยานพาหนะขยายที่มีวงจรแบตเตอรี่ขนาดเล็กบ่อยครั้ง เนื่องจากขนาดและต้นทุนการผลิตลดลง เคมีภัณฑ์จึงอาจขยายไปสู่ตลาดเฉพาะทางเพิ่มเติม สำหรับตอนนี้ ลิเธียมไททาเนตแสดงให้เห็นว่าเคมีของแบตเตอรี่ที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งานโดยสิ้นเชิง แทนที่จะแสวงหาเทคโนโลยีที่ "ดีที่สุด" เพียงอย่างเดียวสำหรับการใช้งานทั้งหมด