آلیاژهای تیتانیوم به عنوان یک ماده سنگ بنای برای سیستم های ذخیره سازی انرژی نسل بعدی ظهور می کنند. ترکیب منحصر به فرد آنها از نسبت قدرت به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی استثنایی، و دوام طولانی مدت آنها را به طور فزاینده ای جذاب برای برنامه های کاربردی از وسایل نقلیه الکتریکی به ذخیره سازی شبکه و پیشرفت های اخیر در نانوساختار، ادغام کامپوزیت و تولید افزودنی سطوح عملکرد است که قبلا بدون محدودیت انرژی در این مقاله ذخیره سازی پایدار و بازسازی مواد بالقوه آن است.

مزایای آلیاژ تیتانیوم در ذخیره سازی انرژی

در حالی که مواد مانند آلومینیوم، فولاد و کامپوزیت های کربن بر محفظه ذخیره سازی انرژی و الکترود تسلط دارند، تیتانیوم مزایای متمایزی را ارائه می دهد که هزینه بالاتری را در برنامه های انتخاب شده توجیه می کند.

مقاومت در برابر خوردگی

تیتانیوم به طور طبیعی یک لایه اکسید پایدار (TiO2) را تشکیل می دهد که در برابر حمله از اکثر اسید ها، قلیایی ها و محیط های کلرید مقاومت می کند.در باتری و سیستم های فوق خازن، این بیضه مانع از تخریب الکترولیت می شود و طول عمر جزء را گسترش می دهد - یک عامل حیاتی برای ذخیره سازی طولانی مدت.

سبک وزن Properties

با چگالی تقریبا 4.5 g /cm3، تیتانیوم حدود 60٪ سبک تر از فولاد و تنها 60٪ سنگین تر از آلومینیوم است - اما آن را به طور قابل توجهی افزایش قدرت در مقایسه با کاهش وزن به طور مستقیم افزایش چگالی انرژی از سیستم های ذخیره سازی قابل حمل است. وسایل نقلیه الکتریکی با استفاده از آلیاژهای تیتانیوم و یا باتری های ساختاری می تواند به دست آوردن 5 - 10٪ بهبود در مقایسه با معادل فولاد، بدون قربانی ایمنی.

قدرت بالا و سختی

آلیاژهای تیتانیوم (به عنوان مثال، Ti-6Al-4V، Ti-5Al-2.5Sn) حفظ یکپارچگی مکانیکی تحت استرس بالا و نوسانات دما، این برای بسته های باتری بار در هوا فضا و یا خودروهای برقی که در آن مقاومت در آن مهم است، حیاتی است.

مدیریت حرارتی

هدایت حرارتی متوسط تیتانیوم (~7 W / m) کمتر از آلومینیوم است، اما برای بسیاری از طرح های ذخیره سازی انرژی کافی است. همراه با مقاومت در برابر خوردگی، تیتانیوم می تواند در صفحات دو قطبی برای باتری های جریان قرمزوکس استفاده شود که هر دو ثبات شیمیایی و حرارتی لازم است.

نوآوری های اخیر در سیستم های مبتنی بر آلیاژ تیتانیوم

آزمایشگاه های تحقیقاتی و پیشگامان صنعت به طور فعال در حال توسعه آلیاژهای جدید و روش های تولید برای غلبه بر محدودیت های سنتی مانند هزینه و دشواری پردازش هستند.

نانوساختارهای آلیاژ تیتانیوم

ایجاد سطوح نانوساختار یافته تیتانیوم - از طریق تغییر شکل شدید پلاستیک، aodization یا لیزر ablation - به طور گسترده ای افزایش سطح و معرفی سایت های فرار که بهبود گرایش های الکتروشیمیایی شدید، به عنوان مثال، a مطالعه در Journal of Power Sources که چرخه های نانو / تیتانیوم را سریع تر از ظرفیت های اتصال به 300٪ از ظرفیت های اتصال های اتصال های اتصال سریع تر از 300٪.

مواد کامپوزیت

ترکیب آلیاژ تیتانیوم با مواد بسیار رسانا به هدایت الکتریکی نسبتا پایین تیتانیوم (تحریم الکتریکی نسبتا پایین) می پردازد (تحققان با موفقیت گرافن، نانولوله های کربنی، و پلیمر های رسانا به ماتریس تیتانیوم برای ایجاد الکترود های ترکیبی تیتانیوم، این کامپوزیت ها مزایای ساختاری تیتانیوم را حفظ می کنند در حالی که هدایت قابل مقایسه با مس را ارائه می دهند. [F:0A 2023]

تولید پیشرفته: افزودنی و متالورژی پودر

تولید افزودنی (3D چاپ) از آلیاژهای تیتانیوم اجازه می دهد تا مهندسان به تولید ساختارهای پیچیده، توپولوژی بهینه شده است که با ماشینکاری سنتی غیر ممکن است، به عنوان مثال، طرح های شبکه کاهش وزن در حالی که حفظ قدرت، ایده آل برای مسکن باتری و صفحات دو قطبی (FLT:0NASA در حال بررسی بستر پودر لیزر Ti-6Al-4V برای سیستم های ذخیره سازی انرژی فضا [FLT، کاهش وزن دقیق تر از کپسوله های تولید شده -

درخواست های رانندگی

خواص منحصر به فرد آلیاژ تیتانیوم در سراسر دامنه های متعدد که در آن عملکرد بیش از هزینه اولیه است، استفاده می شود.

وسایل نقلیه الکتریکی

در EVs، اجزای آلیاژ تیتانیوم برای محفظه های باتری، ماژول های باتری ساختاری و حتی جمع آوری کنندگان فعلی استفاده می شود. ترکیبی از سبک وزن و کاهش قابلیت بهره وری به تولیدکنندگان اجازه می دهد ظرفیت باتری را بدون اضافه کردن چرخ دنده های وزن مانند TiEnergy Corp] افزایش دهند.[۱۰] FLT ۱ نشان داده است باتری های دو قطبی تیتانیوم که به ۳۵۰ Wh / کیلوگرم دسترسی دارند - در حالی که بهبود عملکرد طبیعی - در حالی که در حال افزایش دماهای بالا هستند.

ذخیره سازی انرژی Grid-Scale

ذخیره سازی شبکه نیاز به سیستم هایی دارد که می توانند برای دهه ها با باتری های جریان Wiadium Redox (VRFBs) کار کنند و اغلب از تیتانیوم برای جمع آوری کنندگان فعلی و الکترودها به دلیل مقاومت در برابر الکترولیتهای اسید وانیوم استفاده کنند.پیشرفت های اخیر در الکترودهای کامپوزیت تیتانیوم-گرافیک باعث افزایش بهره وری انرژی VR به بیش از 85٪ شده است، و ادغام تجدید پذیر تر، به طور مشابه صرفه جویی در باتری های ذخیره سازی آلومینیوم در برابر 300 درجه حرارت از باتری های ذخیره سازی بهره وری از باتری های حرارتی.

تجهیزات قابل حمل و قابل حمل و قابل حمل

مینیاتوراسیون ذخیره سازی انرژی برای سنسورهای IoT، ایمپلنت های پزشکی و وسایل الکترونیکی پوشیدنی حیاتی است. (الکترون های نازک فیلم تیتانیوم، با استفاده از الگوی متخلخل و لیزر، ارائه عمر طولانی مدت و بی طرفی پذیری زیستی (10FLT): مطالعه در ACS مواد کاربردی و رابط [F:2] [F:2] چرخه های تقویت کننده نساجی انعطاف پذیر 90٪ را گزارش داد.

فضا و دفاع

در هواپیما و ماهواره ها، هر کیلوگرم وزن ذخیره شده سوخت یا هزینه پرتاب را به طور قابل توجهی کاهش می دهد. باتری های ساختاری آلیاژ تیتانیوم - که در آن باتری خود را نیز بار مکانیکی حمل می کند - برای مثال برای هواپیماهای بدون سرنشین و فضاپیما توسعه یافته است.

آینده آینده و چالش

با وجود وعده های آن، تیتانیوم هنوز با موانعی برای پذیرش گسترده مواد خام (تقریبا 4 تا 5 بار فولاد) و استخراج انرژی فشرده مواجه است موانع باقی مانده، روش های بازیافت در حال ظهور - مانند ذوب پرتو الکترون تیتانیوم - کاهش اثرات زیست محیطی در متالورژی پودر و تولید نزدیک به آن نیز کاهش زباله مواد.

مرز دیگر توسعه آلیاژهای تیتانیوم با مقاومت بالا است که حاوی عناصری مانند niobium، tantalum و zirconium هستند.این آلیاژها مقاومت و قدرت بالای خوردگی را در دمای بالا نشان می دهند و آنها را برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی متمرکز یا باتری های جامد دولتی آماده می کند.

نگرانی های پایداری باعث می شود تا تحقیقات در مورد بازیابی تیتانیوم از باتری های بسته شده انجام شود که تیتانیوم را از سایر فلزات جدا می کند در مقیاس آزمایشگاهی آزمایش می شود.اگر مقیاس شود، آنها می توانند هزینه انرژی چرخه عمر قطعات تیتانیوم را تا 60٪ کاهش دهند.

با نگاهی به جلو، ادغام با سیستم های هیدروژن سبز یک synergy قانع کننده را ارائه می دهد. تیتانیوم در حال حاضر در الکتروکارزرها و مخازن ذخیره سازی هیدروژن استفاده می شود. همان خواص مقاوم در برابر خوردگی که آن را برای باتری مناسب می کند، همچنین در باتری های جریان کار می کند که هیدروژن را به عنوان حامل انرژی ذخیره می کند.

به طور خلاصه، آلیاژهای تیتانیوم از یک ماده طاقچه به یک فعال کلیدی از ذخیره سازی انرژی پیشرفته انتقال می یابند.از طریق نانوساختار، مهندسی کامپوزیت و تولید افزودنی، محققان هزینه های تاریخی و محدودیت های پردازش را افزایش می دهند.