Grafenske baterije: mit ali mehurček?

Izzivi, s katerimi se soočajo litij-ionske baterije

V zadnjih dveh desetletjih od pojava litij-ionskih baterij sta naš svet in življenje prinesla pretresljive spremembe. Zaradi visokih specifičnih potreb po energiji in moči pri delu z napravami za shranjevanje energije, kot so potrošniška elektronska oprema in električna vozila, so obstoječe litij-ionske baterije&»poudarili GG«. Inovacije tehnologije baterij so daleč zaostajale za nadgradnjo elektronske opreme in postale ovira za uporabniško izkušnjo. Največje ozko grlo.

Tradicionalne litij-ionske baterije temeljijo na premeščanju aktivnih litijevih ionov med pozitivnimi in negativnimi materiali, da se doseže pretvorba kemične in električne energije. Vendar pa ravno ta elektrokemični mehanizem vstavljanja in ekstrakcije onemogoča, da zmogljivost in gostota energije litij-ionskih baterij vedno bolj ustrezata potrebam scenarijev uporabe. Kar zadeva materiale z negativnimi elektrodami, materiali negativnih elektrod komercialnih litij-ionskih baterij, ki jih predstavlja grafit, uporabljajo litijeve ione za deinterkalacijo med sloji grafita za delo. Vendar so mesta litija v grafitu in vmesni razmiki samega grafita zelo omejeni, zaradi česar se litij-ionske baterije soočajo z dilemo nezadostne kapacitete in nizke specifične energije.

Grafenska baterija: izkazalo se je

V času, ko ljudje izgubljajo, se je pojavila nova vrsta zvezdastega ogljikovega materiala-grafena! Grafen lahko obravnavamo kot enoslojni grafit, ki ima obilna mesta interkalacije litija, ima izjemno visoko elektronsko prevodnost in veliko specifično površino. Ali lahko grafen na ta način nadomesti grafit, da sproži revolucijo v industriji shranjevanja energije? Z visoko zmogljivostjo, visoko energijsko gostoto in hitrim polnjenjem ne dovolite' t teh" Peach Blossom Springs" ki so si ljudje prizadevali, da postanejo resničnost? ! Tudi različni mediji so začeli poročati o prednostih grafenskih baterij in ustvarjati ustrezen hrup. Nekaj ​​časa so postale priljubljene konceptne zaloge grafenskih baterij. Zdi se, da je bila celotna baterijska industrija premagana. Vsi se veselimo grafenskih baterij. Prihod časov.

Je pa res tako? Naslednja vsebina je predvsem z znanstvenega vidika, da odkrije tančico skrivnostne grafenske baterije za vse (Opomba: Grafenska baterija še nima jasnega koncepta, glede na vlogo grafena jo lahko približno razdelimo na grafen kot prevodni dodatek in grafit Obstajata dve vrsti ene kot material negativne elektrode (ta članek obravnava grafen kot material negativne elektrode baterije).

porekla

Leta 2014 je znanstveno poročilo poročalo o delu na popolnoma grafenskih litijevih baterijah. V tej popolnoma grafenski bateriji je pozitivna elektroda površinsko funkcionaliziran grafenski material, negativna elektroda pa reducirani grafenski oksid. Celotna baterija izkorišča površinsko reakcijo pozitivne in negativne elektrode, tako da lahko doseže izjemno hitro polnjenje in praznjenje. Gostota moči, izračunana na podlagi celotne mase elektrode, lahko doseže 2150 W / kg.

Z vidika gostote moči je baterija resnično obetavna, a ko znova pogledamo energijsko gostoto, lahko ugotovimo, da je energijska gostota, izračunana na podlagi mase obeh elektrod, le 130Wh / kg, kar je pravzaprav doseči obstoječo litij-ionsko baterijo na podlagi izračuna mase sistema (Gostota energije sistema nedavno priljubljenega akumulatorja BYD je 140 Wh / kg;" Izdelano na Kitajskem 2025" jasno predlaga, da se enaka gostota energije vozila -napolnjene baterije naj bi do leta 2020 dosegle 300 Wh / kg). Če je integriran v baterijski sistem, se bo njegova masna gostota energije zmanjšala za dodatnih pet do šestdeset odstotkov. Poleg tega materiali pozitivnih in negativnih elektrod te popolnoma grafenske baterije ne vsebujejo litija, zato je treba pred ujemanjem v polno baterijo izvesti elektrokemijsko predhodno litizacijo v polcelici. Če gledamo tako, so grafenske baterije morda prve, ki so se razvile v scenarijih z visoko močjo, vendar je njihova gostota energije še vedno daleč od pričakovanj ljudi'

Torej, ali lahko grafen uporabimo kot negativni elektrodni material za baterije, kot je grafit? Je mehanizem vstavljanja litija enak kot grafit? Kakšna je njegova teoretična zmogljivost shranjevanja litija? Mnogi raziskovalci verjamejo, da ima grafen dve strani, ki lahko adsorbira litijeve atome, tvori dvojno litijevo fazo Li2C6 in ima dvojno specifično kapaciteto 744 mAh / g. O teh vprašanjih je veliko raziskav. Nekateri raziskovalci so z izračuni DFT ugotovili, da atomov litija ni mogoče neposredno adsorbirati na površino grafena. Vgradijo se lahko le med sloji grafena ali v sredino grafena in podlage skozi robove ali napake visokega reda. Torej gre v tem primeru za deinterkalacijo ali adsorpcijo in koliko atomov Li je mogoče shraniti?

Razbito

Kot odgovor na to težavo je izredni profesor Ji Kemeng z univerze v Tianjinu poročal o svoji raziskavi mehanizma interkalacije litija dvoplastnega grafena v Nature Communications leta 2019. Za pripravo dvoplastnega grafena so uporabili visokotemperaturno preklopno kemijsko nanašanje s paro material z visoko specifično površino. Tega materiala ni treba pritrditi na podlago in ima malo napak, zato je mogoče odpraviti vpliv podlage in napak na adsorpcijo ali deinterkalacijo litijevih ionov, kar je koristno za preučevanje mehanizma deinterkalacije litija v grafena samega. Preskusi praznjenja s konstantnim tokom in krivulje ciklične voltametrije kažejo, da ima dvoslojni grafen enako elektrokemično reakcijo oksidacijsko-redukcijske reakcije kot običajne grafitne elektrode, litijevi ioni pa se med obema grafenskima ploščama deinterkalirajo. Razmik med plastmi grafena je edini prostor za shranjevanje litija, ideja o absorpciji in shranjevanju litija pa je samoumevna! Obstaja tudi omembe vreden pojav. Največja zmogljivost dvoslojnega grafena je le 180 mAh / g v trenutnem območju gostote 0,2-50 A / g. Kasnejša karakterizacija faz kaže, da je stehiometrična sestava litijeve faze shranjevanja LiC12 in LiC6 negrafitne elektrode ni tako imenovana dvojna litijeva akumulacijska faza Li2C6.

Rezultati te raziskave kažejo, da je model domene Daumas-Hérold&# 39 bolj primeren za opis vedenja grafitnih elektrod pri shranjevanju litija kot model Rüdorff' in je zaključil polstoletno razpravo o mehanizmu za shranjevanje litija. grafit. Hkrati je bila končno potrjena teoretična litijeva zmogljivost shranjevanja grafena in teoretična zmogljivost 180 mAh / g je daleč slabša od elektrokemične litijeve zmogljivosti shranjevanja grafitne anode. Mehurček iz grafenske baterije poči sam!

Sledljivost

Od kod torej velika zmogljivost grafena, o kateri poročajo številni dokumenti? Vemo, da grafenski materiali, ki jih ljudje običajno izdelujejo, niso razmeroma čisti grafeni kot zgoraj. Številni grafeni, ki jih dobimo, so bogati z napakami (vključno z resničnimi prostimi napakami ogljikovih materialov in napakami, ki jih povzročajo posebej uvedena mesta heteroatomov), površina pa je bogata z različnimi funkcionalnimi skupinami (kot so karboksil, Te skupine so enostavne za kemično interakcijo z litijem, na primer epoksi skupine). Superpozicija teh dejavnikov in velika specifična površina samega grafena bo povzročila, da velika količina litija ne bo sodelovala v elektrokemični reakciji v obliki deinterkalacije, ampak bo prispevala k psevdokondenzatorju v obliki adsorpcije. Zaradi teh psevdo-kapacitivnih učinkov se zdi, da je zmogljivost grafena zelo velika in da je elektrokemična kinetika hitra, vendar to malo vpliva na povečanje gostote energije polne baterije. Poleg tega bosta obilna reakcijska mesta in visoka vsebnost napak povzročila tudi neprekinjeno porabo omejenega aktivnega litija, kar ima za posledico zmanjšanje kulomske učinkovitosti, kar je usodno za stabilnost polne baterije.

prihodnosti

Po zgornji analizi je grafen kot negativni elektrodni material za baterije brezupen, če želi vstopiti v tisoče gospodinjstev. Vendar to ne pomeni, da je grafen neuporaben na področju shranjevanja energije. Poleg zmogljivosti shranjevanja litija ima grafen tudi izjemno visoko električno prevodnost in odlično toplotno prevodnost. Dva dejavnika elektrike in toplote imata osrednjo vlogo pri dejanskih baterijah. Še posebej vročina, nesreče zaradi varnosti akumulatorja, ki jih povzroči toplotni uhajanje, lahko celo vetirajo na številne elektrode z odličnimi elektrokemičnimi zmogljivostmi. Če se na bateriji uporabljajo prednosti tako električne kot toplotne prevodnosti," grafenska baterija" lahko tudi zasije.

Seveda grafen kot nekakšen čarobni material ne ve, ali bo akumulatorju prinesel novo revolucijo na druge načine? Tako kot nedavna poročila medijev iz neznanih virov tudi Mercedes-Benz razvija organsko baterijo na osnovi grafena. Posebna tehnologija še ni razkrita. Kakorkoli že, minilo bo vsaj 10 let kasneje. Ali gre za novo revolucijo ali nov mehurček, bomo počakali in videli!

Skratka, področje shranjevanja energije, katerega cilj je praktičnost, ni" lovljenje zvezd" ;. Teoretično izvedljiva grafen negativna elektroda zahteva preveč ostre pogoje (popoln grafen). Pri dejanski proizvodnji je treba plačati visoko stroškovno ceno, kar je v nasprotju s prvotnim namenom povečanja gostote energije in zmanjšanja proizvodnih stroškov. Še več,' teoretična izvedljivost se je končno izkazala za neizvedljivo. Naslednjič bo prišlo do medijskega hrupa o GG; grafenska baterija GG;; moraš imeti oči odprte, da boš jasno videl