Grafenske baterije: mit ili mjehurić?

Izazovi s kojima se suočavaju litij-ionske baterije

Tijekom posljednja dva desetljeća od pojave litij-ionskih baterija, naš svijet i život donijeli su zemljotresne promjene. Visoke specifične potrebe za energijom i velikom snagom u radu uređaja za pohranu energije, poput potrošačke elektroničke opreme i električnih vozila, učinile su postojeće litij-ionske baterije&"naglasio GG". Inovacija tehnologije baterija znatno je zaostala za nadogradnjom elektroničke opreme i postala je ograničenje korisničkog iskustva. Najveće usko grlo.

Tradicionalne litij-ionske baterije temelje se na prebacivanju aktivnih litijevih iona između pozitivnih i negativnih materijala kako bi se postigla konverzija kemijske energije i električne energije. Međutim, upravo taj elektrokemijski mehanizam umetanja i izvlačenja čini kapacitet i gustoću energije litij-ionskih baterija sve nesposobnijim da zadovolje potrebe scenarija primjene. Što se tiče materijala s negativnim elektrodama, materijali s negativnim elektrodama komercijalnih litij-ionskih baterija predstavljeni grafitom koriste litijeve ione za deinterkalaciju između slojeva grafita za rad. Međutim, mjesta litija u grafitu i međuslojni razmak samog grafita vrlo su ograničeni, što prisiljava litij-ionske baterije da se suoče s dilemom nedovoljnog kapaciteta i niske specifične energije.

Grafenska baterija: ispala

U vrijeme kada su ljudi u gubitku, izašla je nova vrsta ugljikovog materijala-grafena! Grafen se može smatrati jednoslojnim grafitom koji ima obilna mjesta interkalacije litija, ultra visoke elektroničke vodljivosti i ogromne specifične površine. Može li grafen na taj način zamijeniti grafit kako bi aktivirao revoluciju u industriji skladištenja energije? Uz veliki kapacitet, visoku gustoću energije i brzo punjenje, nemojte' t ove&"; breskve cvijet izvori GG"; da su ljudi težili izravno da postanu stvarnost? ! Razni mediji također su počeli izvještavati o prednostima grafenskih baterija i stvarati odgovarajući hype. Jedno vrijeme zalihe grafenskih baterija postale su popularne. Čini se da je cijela industrija baterija pretučena. Svi se raduju grafenskim baterijama. Dolazak vremena.

Međutim, je li to doista slučaj? Sljedeći sadržaj uglavnom je 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).

podrijetlo

Znanstveno izvješće 2014. godine izvijestilo je o radu na potpuno grafenskim litijevim baterijama. 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. Gustoća snage izračunata na temelju ukupne mase elektrode može doseći 2150W / kg.

S gledišta gustoće snage, baterija uistinu obećava, ali kad ponovno pogledamo gustoću energije, možemo ustanoviti da je gustoća energije izračunata na temelju mase dviju elektroda samo 130Wh / kg, što je upravo u stanju kako bi se dosegla postojeća litij-ionska baterija na temelju izračuna mase sustava (Gustina energije sustava nedavno popularne BYD akumulatorske oštrice iznosi 140 Wh / kg;" Proizvedeno u Kini 2025" jasno predlaže da pojedinačna gustoća energije vozila - Baterije s minimalnom snagom trebale bi doseći 300 Wh / kg do 2020. godine). Ako je integriran u baterijski sustav, gustoća njegove mase smanjit će se za dodatnih pet do šezdeset posto. Štoviše, pozitivni i negativni materijali elektroda ove potpuno grafenske baterije ne sadrže litij, pa se mora izvršiti elektrokemijska pred-litizacija u polućeliji prije spajanja u punu bateriju. Gledajući na ovaj način, možda će se grafenske baterije prve razviti u scenarijima velike snage, ali njihova gustoća energije još uvijek je daleko od očekivanja ljudi GG.

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

Razbijena

Kao odgovor na ovaj problem, izvanredni profesor Ji Kemeng sa sveučilišta u Tianjinu izvijestio je o svom istraživanju mehanizma interkalacije litija dvoslojnog grafena u Nature Communications 2019. Za pripremu dvoslojnog grafena koristili su metodu prebacivanja kemijskih para pomoću visoke temperature. materijal s visokom specifičnom površinom. Ovaj materijal nije potrebno pričvrstiti na podlogu i ima malo nedostataka, pa se utjecaj podloge i nedostaci na adsorpciju ili deinterkalaciju litijevih iona mogu eliminirati, što je korisno za proučavanje mehanizma deinterkalacije litija u sam grafen. Testovi pražnjenja s konstantnom strujom i krivulje cikličke voltametrije pokazuju da dvoslojni grafen ima istu elektrokemijsku reakciju redukcije oksidacije kao i konvencionalne grafitne elektrode, a litijevi ioni su deinterkalirani između dva grafenska sloja. Razmak sloja grafena jedini je prostor za skladištenje litija, a ideja o apsorpciji i skladištenju litija je samorazorna! Također je vrijedan pažnje fenomen. Maksimalni kapacitet dvoslojnog grafena je samo 180 mAh / g u trenutnom rasponu gustoće 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 faza pohrane litija Li2C6.

Rezultati ovog istraživanja pokazuju da je model domene Daumas-Hérold&# 39 prikladniji za opisivanje ponašanja grafita kod pohrane litija od modela Rüdorff' i završio je pola stoljeća rasprave o mehanizmu za pohranu litija grafit. Istodobno je napokon potvrđena teoretska sposobnost skladištenja litija grafena, a teoretski kapacitet od 180mAh / g daleko je inferiorniji od elektrokemijske sposobnosti skladištenja litija na grafitnoj anodi. Mjehur grafenske baterije puca sam!

Sljedivost

Dakle, odakle potječe veliki kapacitet grafena koji se navodi u mnogim dokumentima? Znamo da grafenski materijali koje ljudi obično izrađuju nisu relativno čisti grafen poput gore navedenih. Mnogi grafeni koje možemo dobiti bogati su defektima (uključujući i vlastite nedostatke slobodnih mjesta ugljikovih materijala i defekte uzrokovane posebno uvedenim mjestima heteroatoma), a površina je bogata raznim funkcionalnim skupinama (poput karboksila, hidroksila, Te je skupine lako kemijski komunicirati s litijem, poput epoksidnih skupina). Superpozicija ovih čimbenika i ogromna specifična površina samog grafena uzrokovat će da velika količina litija ne sudjeluje u elektrokemijskoj reakciji u obliku deinterkalacije, već da doprinese pseudokapacitivnosti u obliku adsorpcije. Ovi učinci pseudokapacitacije čine da je kapacitet grafena vrlo visok, a elektrokemijska kinetika brza, ali to malo utječe na povećanje gustoće energije pune baterije. Štoviše, obilna reakcijska mjesta i visok sadržaj defekata također će uzrokovati kontinuiranu potrošnju ograničenog aktivnog litija, što rezultira smanjenjem kulomske učinkovitosti, što je fatalno za stabilnost kapaciteta pune baterije.

budućnost

Nakon gore navedene analize, grafen kao negativni elektrodni materijal za baterije je beznadan ako želi ući u tisuće kućanstava. Međutim, to ne znači da je grafen beskoristan na polju skladištenja energije. Uz sposobnost skladištenja litija, sam grafen ima i izuzetno visoku električnu vodljivost i izvrsnu toplinsku vodljivost. Dva faktora električne energije i topline igraju ključnu ulogu u stvarnim baterijama. Pogotovo toplina, nezgode sa sigurnošću akumulatora izazvane termičkim odbjegom mogu čak staviti veto na mnoge elektrode s izvrsnim elektrokemijskim svojstvima. Ako se na električnu i toplinsku vodljivost primijene prednosti i električne i toplinske vodljivosti,&"grafenska baterija GG"; također može zasjati.

Naravno, kao vrsta čarobnog materijala, grafen ne zna hoće li na druge načine donijeti novu revoluciju u bateriji? Baš kao i nedavna izvješća medija iz nepoznatih izvora, Mercedes-Benz razvija organsku bateriju na bazi grafena. Specifična tehnologija još nije objavljena. Svejedno, bit će to barem 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 troškova, što je suprotno prvotnoj namjeri povećanja gustoće energije i smanjenja troškova proizvodnje. Što je još&# 39, teorijska izvedivost napokon se pokazala neizvedivom. Sljedeći put će se pojaviti medijska halabuka o GG; grafenska baterija GG;; morate držati oči otvorene da biste jasno vidjeli