Baterie grafenowe: mit czy bańka?

Wyzwania stojące przed akumulatorami litowo-jonowymi

W ciągu ostatnich dwóch dziesięcioleci od pojawienia się baterii litowo-jonowych, nasz świat i życie przyniosły wstrząsające zmiany. Wysokie specyficzne wymagania energetyczne i robocze dużej mocy urządzeń magazynujących energię, takich jak konsumencki sprzęt elektroniczny i pojazdy elektryczne, spowodowały, że istniejące akumulatory litowo-jonowe" podkreślił" ;. Innowacyjność technologii akumulatorów pozostała daleko w tyle za modernizacją sprzętu elektronicznego i stała się ograniczeniem dla doświadczenia użytkownika. Największe wąskie gardło.

Tradycyjne akumulatory litowo-jonowe są oparte na przepływie aktywnych jonów litu między materiałami dodatnimi i ujemnymi w celu uzyskania konwersji energii chemicznej i energii elektrycznej. Jednak to właśnie ten elektrochemiczny mechanizm wstawiania i wyciągania sprawia, że ​​pojemność i gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych w coraz większym stopniu nie są w stanie sprostać potrzebom scenariuszy zastosowań. Jeśli chodzi o materiały elektrod ujemnych, materiały elektrod ujemnych w handlowych akumulatorach litowo-jonowych reprezentowanych przez grafit wykorzystują jony litu do deinterkalacji między warstwami grafitu. Jednak miejsca litu w graficie i odstępy międzywarstwowe samego grafitu są bardzo ograniczone, co zmusza akumulatory litowo-jonowe do zmierzenia się z dylematem niewystarczającej pojemności i niskiej energii właściwej.

Bateria grafenowa: okazała się

W czasie, gdy ludzie są zagubieni, pojawił się nowy rodzaj gwiezdnego materiału węglowego - grafenu! Grafen można uznać za grafit jednowarstwowy, który ma obfite miejsca interkalacji litu i ma bardzo wysokie przewodnictwo elektroniczne i ogromną powierzchnię właściwą. Czy w ten sposób grafen może zastąpić grafit, aby zdetonować rewolucję w branży magazynowania energii? Dzięki dużej pojemności, wysokiej gęstości energii i szybkiemu ładowaniu, don' t te" Peach Blossom Springs" że ludzie dążą bezpośrednio do urzeczywistnienia się? ! Różne media również zaczęły donosić o zaletach baterii grafenowych i wywoływać odpowiedni szum. Od pewnego czasu popularne stały się zapasy koncepcyjne związane z bateriami grafenowymi. Wydaje się, że cała branża akumulatorów została pokonana. Wszyscy nie mogą się doczekać baterii grafenowych. Nadejście czasów.

Jednak czy tak jest naprawdę? Poniższa treść jest głównie z naukowego punktu widzenia, aby odkryć zasłonę tajemniczej baterii grafenowej dla wszystkich (Uwaga: bateria grafenowa nie ma jeszcze jasnej koncepcji, zgodnie z rolą grafenu można z grubsza podzielić na grafen jako dodatek przewodzący i grafit Istnieją dwa rodzaje enów jako materiał elektrody ujemnej. W tym artykule omówiono grafen jako materiał, z którego wykonana jest elektroda ujemna baterii).

pochodzenie

W 2014 roku raport naukowy donosił o pracach nad całkowicie grafenowymi bateriami litowymi. W tej całkowicie grafenowej baterii elektroda dodatnia jest materiałem grafenowym z funkcjonalną powierzchnią, a elektroda ujemna to zredukowany tlenek grafenu. Cała bateria wykorzystuje reakcję powierzchniową elektrod dodatnich i ujemnych, dzięki czemu może osiągnąć bardzo szybkie ładowanie i rozładowywanie. Gęstość mocy obliczona na podstawie całkowitej masy elektrody może osiągnąć 2150 W / kg.

Z punktu widzenia gęstości mocy bateria jest rzeczywiście obiecująca, ale gdy ponownie spojrzymy na gęstość energii, możemy stwierdzić, że gęstość energii obliczona na podstawie masy dwóch elektrod wynosi tylko 130Wh / kg, co jest po prostu możliwe aby dotrzeć do istniejącego akumulatora litowo-jonowego na podstawie obliczeń masy systemu (gęstość energii systemu ostatnio popularnego akumulatora łopatkowego BYD wynosi 140Wh / kg;" Made in China 2025" wyraźnie proponuje, -wmontowane akumulatory mocy powinny osiągnąć 300Wh / kg do 2020 roku). Jeśli jest zintegrowany z systemem akumulatorów, jego masowa gęstość energii zostanie zdyskontowana o kolejne pięć do sześćdziesięciu procent. Co więcej, dodatnie i ujemne materiały elektrod tej całkowicie grafenowej baterii nie zawierają litu, więc przed dopasowaniem do pełnej baterii należy przeprowadzić wstępne litowanie elektrochemiczne w półogniwie. Patrząc na to w ten sposób, baterie grafenowe mogą być pierwszymi, które rozwiną się w scenariuszach dużej mocy, ale ich gęstość energii wciąż jest daleka od oczekiwań ludzi&# 39.

Zatem w teorii, czy grafen może być używany jako materiał elektrody ujemnej w bateriach takich jak grafit? Czy mechanizm wstawiania litu jest taki sam jak w przypadku grafitu? Jaka jest teoretyczna pojemność litu? Wielu badaczy uważa, że ​​ponieważ grafen ma dwie strony, które mogą adsorbować atomy litu, może tworzyć podwójną fazę litową Li2C6 i ma podwójną pojemność właściwą 744 mAh / g. Istnieje wiele badań dotyczących tych zagadnień. Niektórzy badacze wykorzystali obliczenia DFT, aby stwierdzić, że atomy litu nie mogą być bezpośrednio adsorbowane na powierzchni grafenu. Mogą być osadzane tylko między warstwami grafenu lub w środku grafenu i podłoża poprzez krawędzie lub ubytki wysokiego rzędu. Czy w tym przypadku jest to deinterkalacja czy adsorpcja i ile atomów Li można przechowywać?

Roztrzaskany

W odpowiedzi na ten problem profesor nadzwyczajny Ji Kemeng z Uniwersytetu w Tianjin przedstawił swoje badania nad mechanizmem interkalacji litu dwuwarstwowego grafenu w Nature Communications w 2019 r. Wykorzystali metodę chemicznego osadzania z fazy gazowej z przełączaniem wysokiej temperatury, aby przygotować dwuwarstwowy grafen materiał o dużej powierzchni właściwej. Materiał ten nie wymaga mocowania do podłoża i posiada niewiele wad, dzięki czemu można wyeliminować wpływ podłoża i defektów na adsorpcję lub deinterkalację jonów litu, co jest korzystne dla badania mechanizmu deinterkalacji litu w sam grafen. Testy ładowania i rozładowania prądu stałego i krzywe cyklicznej woltamperometrii pokazują, że dwuwarstwowy grafen ma taką samą reakcję elektrochemicznego utleniania i redukcji jak konwencjonalne elektrody grafitowe, a jony litu są deinterkalowane między dwoma arkuszami grafenu. Odstępy między warstwami grafenu to jedyne miejsce do przechowywania litu, a pomysł wchłaniania i magazynowania litu jest samobójczy! Jest też zjawisko godne uwagi. Maksymalna wydajność dwuwarstwowego grafenu to tylko 180 mAh / g przy gęstości prądu 0,2-50 A / g. Późniejsza charakterystyka faz pokazuje, że skład stechiometryczny fazy magazynowania litu to LiC12, a LiC6 elektrody niegrafitowej nie jest tak zwaną fazą Li2C6 z podwójnym akumulatorem litu.

Ten wynik badań pokazuje, że model domeny Daumasa-Hérolda' jest bardziej odpowiedni do opisu zachowania się elektrod grafitowych podczas magazynowania litu niż model Rüdorffa' i zakończył półwieczną debatę na temat mechanizmu magazynowania litu grafit. Jednocześnie ostatecznie potwierdzono teoretyczną pojemność litu grafenu, a teoretyczna pojemność 180 mAh / g jest znacznie gorsza od elektrochemicznej zdolności magazynowania litu przez anodę grafitową. Bańka baterii grafenowej pęka sama!

Identyfikowalność

Skąd więc tak duża pojemność grafenu podawana w wielu dokumentach? Wiemy, że materiały grafenowe, które zwykle wytwarzają ludzie, nie są stosunkowo czystym grafenem, jak powyżej. Wiele grafenów, które możemy uzyskać, jest bogatych w defekty (w tym zarówno wewnętrzne defekty pustostanów materiałów węglowych, jak i defekty spowodowane specjalnie wprowadzonymi miejscami heteroatomów), a powierzchnia jest bogata w różnorodne grupy funkcyjne (takie jak karboksyl, hydroksyl, Grupy te łatwo oddziałują chemicznie z litem, na przykład z grupami epoksydowymi). Nałożenie tych czynników i ogromna powierzchnia właściwa samego grafenu spowoduje, że duża ilość litu nie będzie uczestniczyła w reakcji elektrochemicznej w postaci deinterkalacji, ale przyczyni się do pseudopojemności w postaci adsorpcji. Te efekty pseudopojemnościowe sprawiają, że wydaje się, że pojemność grafenu jest bardzo wysoka, a kinetyka elektrochemiczna jest szybka, ale ma to niewielki wpływ na wzrost gęstości energii pełnego akumulatora. Ponadto liczne miejsca reakcji i wysoka zawartość defektów spowodują również ciągłe zużywanie ograniczonego aktywnego litu, powodując spadek wydajności kulombowskiej, co ma fatalne skutki dla stabilności pojemności pełnego akumulatora.

przyszłość

Po powyższej analizie grafen jako materiał elektrody ujemnej do baterii jest beznadziejny, jeśli chce wejść do tysięcy gospodarstw domowych. Nie oznacza to jednak, że grafen jest bezużyteczny w dziedzinie magazynowania energii. Oprócz możliwości magazynowania litu, sam grafen ma również bardzo wysoką przewodność elektryczną i doskonałą przewodność cieplną. W rzeczywistych bateriach kluczową rolę odgrywają dwa czynniki: elektryczność i ciepło. Szczególnie wysokie temperatury, wypadki związane z bezpieczeństwem akumulatorów spowodowane niekontrolowaną temperaturą mogą nawet zawetować wiele materiałów elektrod o doskonałych parametrach elektrochemicznych. Jeśli do akumulatora zastosuje się zarówno przewodność elektryczną, jak i cieplną, wskaźnik&„grafen battery" może również świecić.

Oczywiście grafen jako rodzaj materiału magicznego nie wie, czy w inny sposób przyniesie nową rewolucję w baterii? Podobnie jak ostatnie doniesienia medialne z nieznanych źródeł, Mercedes-Benz opracowuje organiczną baterię na bazie grafenu. Konkretna technologia nie została jeszcze ujawniona. Zresztą minie co najmniej 10 lat. Czy to nowa rewolucja, czy nowa bańka, poczekamy i zobaczymy!

Krótko mówiąc, dziedziną magazynowania energii, która ma na celu praktyczność, nie jest GG, goni gwiazd, GG, cytat. Teoretycznie wykonalna ujemna elektroda grafenowa wymaga zbyt trudnych warunków (doskonały grafen). W rzeczywistej produkcji trzeba zapłacić wysoką cenę, co jest sprzeczne z pierwotnym zamiarem zwiększenia gęstości energii i obniżenia kosztów produkcji. Co więcej' teoretyczna wykonalność ostatecznie okazała się niewykonalna. Następnym razem, gdy w mediach pojawi się szum medialny na temat GG; bateria grafenowa&;, musisz mieć otwarte oczy, aby wyraźnie widzieć