Grafenske baterije: mit ili mjehurić?

Izazovi sa kojima se suočavaju litijum-jonske baterije

U posljednje dvije decenije od pojave litij-jonskih baterija, naš svijet i život donijeli su zemljotresne promjene. Visoke specifične potrebe za energijom i velikom snagom u radu uređaja za skladištenje energije, poput potrošačke elektroničke opreme i električnih vozila, učinile su postojeće litijum-jonske baterije&"naglasio GG". Inovacija tehnologije baterija znatno je zaostala za nadogradnjom elektroničke opreme i postala je ograničenje za korisničko iskustvo. Najveće usko grlo.

Tradicionalne litijum-jonske baterije temelje se na prebacivanju aktivnih litijum-jona između pozitivnih i negativnih materijala kako bi se postigla konverzija hemijske energije i električne energije. Međutim, upravo ovaj elektrokemijski mehanizam umetanja i izvlačenja čini kapacitet i gustinu energije litijum-jonskih baterija sve nesposobnijim da zadovolje potrebe aplikativnih scenarija. U pogledu materijala sa negativnim elektrodama, materijali sa negativnim elektrodama komercijalnih litijum-jonskih baterija predstavljeni grafitom koriste litijumove jone za deinterkalaciju između slojeva grafita za rad. Međutim, mjesta litija u grafitu i međuslojni razmak samog grafita vrlo su ograničeni, što prisiljava litijum-jonske baterije da se suoče sa dilemom nedovoljnog kapaciteta i niske specifične energije.

Grafenska baterija: ispala

U trenutku kada su ljudi u gubitku, izašla je nova vrsta ugljeničnog materijala-grafena! Grafen se može smatrati jednoslojnim grafitom koji ima obilna mjesta interkalacije litija, ultra visoke elektronske provodljivosti i ogromne specifične površine. Može li grafen na ovaj način zamijeniti grafit kako bi aktivirao revoluciju u industriji skladištenja energije? Sa velikim kapacitetom, velikom gustinom energije i brzim punjenjem, nemojte' ove&proizvode; da su ljudi težili izravno da postanu stvarnost? ! Razni mediji također su počeli izvještavati o prednostima grafenskih baterija i stvarati odgovarajući hiper. Jedno vrijeme zalihe grafenskih baterija postale su popularne. Čini se da je cijela industrija baterija pobijeđena. Svi se raduju grafenskim baterijama. Dolazak vremena.

Međutim, je li to zaista tako? Sljedeći sadržaj je uglavnom sa znanstvenog gledišta kako bi se svima razotkrio veo misteriozne grafenske baterije (Napomena: Grafenska baterija još uvijek nema jasan koncept, prema ulozi grafena možemo grubo podijeliti na grafen kao provodni aditiv i grafit Postoje dvije vrste ene kao materijal negativne elektrode. Ovaj članak govori o grafenu kao materijalu negativne elektrode baterije).

porijeklo

2014. godine, Scientific Report izvijestio je o radu na litijumskim baterijama od potpuno grafena. U ovoj potpuno grafenskoj bateriji pozitivna elektroda je površinski funkcionalizirani grafenski materijal, a negativna elektroda reducirani grafenski oksid. Cijela baterija koristi površinsku reakciju pozitivne i negativne elektrode, tako da može postići super veliku brzinu punjenja i pražnjenja. Gustina snage izračunata na osnovu ukupne mase elektrode može doseći 2150W / kg.

S gledišta gustine snage, baterija zaista obećava, ali kad ponovno pogledamo gustinu energije, možemo ustanoviti da je gustina energije izračunata na osnovu mase dviju elektroda samo 130Wh / kg, što je u stanju kako bi se dostigla postojeća litijum-jonska baterija na osnovu proračuna mase sistema (Gustina energije sistema nedavno popularne BYD akumulatorske oštrice je 140Wh / kg;" Proizvedeno u Kini 2025" - Baterije s minimalnom snagom trebale bi doseći 300 Wh / kg do 2020. godine). Ako je integriran u sistem baterija, njegova masna gustina energije bit će umanjena za dodatnih pet do šezdeset posto. Štoviše, pozitivni i negativni materijali elektroda ove potpuno grafenske baterije ne sadrže litij, pa se elektrohemijska pred-litizacija u polućeliji mora provesti prije spajanja u punu bateriju. Gledajući na ovaj način, možda će se grafenske baterije prve razviti u scenarijima velike snage, ali njihova gustina energije još uvijek je daleko od očekivanja ljudi&# 39.

Dakle, u teoriji, može li se grafen koristiti kao materijal negativne elektrode za baterije poput grafita? Da li je mehanizam umetanja litija isti kao i grafit? Koji je njegov teoretski kapacitet za skladištenje litijuma? Mnogi istraživači vjeruju da, budući da grafen ima dvije strane koje mogu adsorbirati atome litija, može stvoriti dvostruku litijevu fazu Li2C6 i ima dvostruki specifični kapacitet od 744 mAh / g. Postoje mnoga istraživanja o ovim pitanjima. Neki su istraživači koristili DFT proračune kako bi otkrili da se atomi litijuma ne mogu direktno adsorbirati na površini grafena. Mogu se umetnuti samo između slojeva grafena ili u sredinu grafena i podloge kroz ivice ili defekte visokog reda. Dakle, u ovom slučaju, da li je to deinterkalacija ili adsorpcija i koliko Li atoma može biti uskladišteno?

Razbijen

Kao odgovor na ovaj problem, vanredni profesor Ji Kemeng sa Univerziteta u Tianjinu izvijestio je o svom istraživanju mehanizma interkalacije litija dvoslojnog grafena u Nature Communications 2019. Oni su koristili metodu taloženja kemijskih para pomoću visoke temperature za pripremu dvoslojnog grafena materijal visoke specifične površine. Ovaj materijal nije potrebno pričvrstiti na podlogu i ima malo nedostataka, pa se utjecaj podloge i nedostaci na adsorpciju ili deinterkalaciju litijumovih jona mogu eliminirati, što je korisno za proučavanje mehanizma deinterkalacije litija u sam grafen. Ispitivanja pražnjenja konstantnom strujom i krivulje cikličke voltametrije pokazuju da dvoslojni grafen ima istu elektrokemijsku reakciju redukcije oksidacije kao i konvencionalne grafitne elektrode, a litijumovi joni se deinterkaliraju između dva sloja grafena. Razmak slojeva grafena jedini je prostor za skladištenje litija, a ideja o apsorpciji i skladištenju litija je samorazoriva! Tu je i fenomen vrijedan pažnje. Maksimalni kapacitet dvoslojnog grafena je samo 180 mAh / g u trenutnom rasponu gustine od 0,2-50 A / g. Naknadna karakterizacija faze pokazuje da je stehiometrijski sastav faze skladištenja litija LiC12, a LiC6 negrafitne elektrode nije takozvana dvostruka litijumska faza skladištenja Li2C6.

Rezultati ovog istraživanja pokazuju da je model domene Daumas-Hérold&# 39 prikladniji za opisivanje ponašanja grafitnih elektroda u skladištu litija od modela Rüdorff&39 i završio je pola vijeka o mehanizmu skladištenja litija grafit. Istodobno, napokon je potvrđena teoretska sposobnost skladištenja litija grafena, a teorijski kapacitet od 180mAh / g daleko je inferioran u odnosu na elektrokemijski kapacitet litijuma za skladištenje grafitne anode. Mehur grafenske baterije puca sam!

Sljedivost

Dakle, odakle potiče veliki kapacitet grafena o kojem se govori u mnogim dokumentima? Znamo da grafenski materijali koje ljudi obično proizvode nisu relativno čisti grafeni poput gore navedenih. Mnogi grafeni koje možemo dobiti bogati su defektima (uključujući i vlastite nedostatke slobodnih mjesta ugljikovih materijala i defekte uzrokovane posebno uvedenim heteroatomskim nalazištima), a površina je bogata raznim funkcionalnim skupinama (poput karboksila, hidroksila, Ove grupe su jednostavne za kemijsku interakciju s litijem, kao što su epoksidne skupine). Superpozicija ovih faktora i ogromna specifična površina samog grafena uzrokovaće da velika količina litija ne učestvuje u elektrokemijskoj reakciji u obliku deinterkalacije, već će doprinijeti pseudokapacitaciji u obliku adsorpcije. Ovi efekti pseudokapacitacije čine da je kapacitet grafena vrlo visok i da je elektrokemijska kinetika brza, ali to malo utječe na povećanje gustine energije pune baterije. Štoviše, obilna reakciona mjesta i visok sadržaj defekata također će uzrokovati kontinuiranu potrošnju ograničenog aktivnog litija, što rezultira smanjenjem kulomske efikasnosti, što je fatalno za stabilnost kapaciteta pune baterije.

budućnost

Nakon gornje analize, grafen kao negativni elektrodni materijal za baterije je beznadan ako želi ući u hiljade domaćinstava. Međutim, to ne znači da je grafen beskoristan na polju skladištenja energije. Pored performansi skladištenja litija, sam grafen ima i izuzetno visoku električnu provodljivost i izvrsnu toplotnu provodljivost. Dva faktora električne energije i toplote igraju ključnu ulogu u stvarnim baterijama. Naročito zbog vrućine, nezgode sa sigurnošću akumulatora izazvane termičkim odvoženjem mogu čak staviti veto na mnoge elektrode sa izvrsnim elektrohemijskim performansama. Ako se na električnu i toplotnu provodljivost primjenjuju prednosti baterije,&"grafenska baterija GG"; takođe može blistati.

Naravno, kao vrsta magičnog materijala, grafen ne zna hoće li na druge načine donijeti novu revoluciju u bateriji? Baš kao i nedavni izveštaji medija iz nepoznatih izvora, Mercedes-Benz razvija organsku bateriju na bazi grafena. Konkretna tehnologija još nije objavljena. U svakom slučaju, to će biti najmanje 10 godina kasnije. Je li to nova revolucija ili novi balon, pričekat ćemo i vidjeti!

Ukratko, područje skladištenja energije, koje ima za cilj praktičnost, nije&"; ganjanje zvijezda GG". Teoretski izvediva grafen negativna elektroda zahtijeva prestroge uvjete (savršeni grafen). U stvarnoj proizvodnji potrebno je platiti visoku cijenu koštanja, što je u suprotnosti sa prvobitnom namjerom povećanja gustine energije i smanjenja troškova proizvodnje. Što je još više GG, teorijska izvodljivost konačno se pokazala neizvodljivom. Sljedeći put će se pojaviti medijska halabuka o GG; grafenska baterija GG;; morate držati oči otvorene da biste jasno vidjeli