Grafeno baterijos: mitas ar burbulas?

Iššūkiai, su kuriais susiduria ličio jonų baterijos

Per pastaruosius du dešimtmečius nuo ličio jonų baterijų atsiradimo mūsų pasaulis ir gyvenimas atnešė žemės drebėjimo pokyčių. Dėl didelių energijos kaupimo įtaisų, tokių kaip buitinė elektroninė įranga ir elektrinės transporto priemonės, specifinės energijos ir didelės galios darbo poreikiai, esamos ličio jonų baterijos tapo „GG“, pabrėžė „GG“. Baterijų technologijos naujovės gerokai atsiliko nuo elektroninės įrangos atnaujinimo ir tapo vartotojo patirties suvaržymu. Didžiausia kliūtis.

Tradicinės ličio jonų baterijos yra pagrįstos aktyviųjų ličio jonų pernešimu tarp teigiamų ir neigiamų medžiagų, kad būtų paversta cheminė energija ir elektros energija. Tačiau būtent šis elektrocheminis įdėjimo ir ištraukimo mechanizmas daro ličio jonų baterijų pajėgumą ir energijos tankį vis labiau patenkančiu taikymo scenarijų poreikius. Kalbant apie neigiamų elektrodų medžiagas, komercinių ličio jonų baterijų, kurias vaizduoja grafitas, neigiamų elektrodų medžiagos naudoja ličio jonus, kad veiktų tarp grafito sluoksnių. Tačiau ličio vietos grafite ir tarpo tarp grafito tarpai yra labai riboti, todėl ličio jonų baterijos priverčia susidurti su nepakankamos talpos ir mažos specifinės energijos dilema.

Grafeno baterija: pasirodė

Tuo metu, kai žmonės patiria nuostolius, pasirodė naujo tipo žvaigždės anglies medžiaga - grafenas! Grafenas gali būti laikomas vieno sluoksnio grafitu, kuriame gausu ličio tarpląsteliavimo vietų, o jo elektroninis laidumas yra ypač didelis ir jo paviršiaus plotas yra didžiulis. Ar tokiu būdu grafenas gali pakeisti grafitą, kad sukeltų revoliuciją energijos kaupimo pramonėje? Turėdami didelę talpą, didelį energijos tankį ir greitą įkrovimą, nedėkite šių GG; „Peach Blossom Springs GG“; kad žmonės tiesiogiai siekė realybės? ! Įvairios žiniasklaidos priemonės taip pat pradėjo pranešti apie grafeno baterijų pranašumus ir sukelti atitinkamą ažiotažą. Kurį laiką išpopuliarėjo su grafeno baterijomis susijusios sąvokos. Atrodo, kad visa baterijų pramonė buvo sumušta. Visi nekantriai laukia grafeno baterijų. Laiko atėjimas.

Tačiau ar taip yra iš tikrųjų? Šis turinys daugiausia yra moksliniu požiūriu, siekiant atskleisti paslaptingo grafeno akumuliatoriaus šydą visiems (Pastaba: grafeno baterija dar neturi aiškios sąvokos, atsižvelgiant į grafeno vaidmenį galima maždaug suskirstyti į grafeną kaip laidų priedą ir grafitas Yra dviejų tipų ene, kaip neigiamo elektrodo medžiaga. Šiame straipsnyje grafenas aptariamas kaip akumuliatoriaus neigiamo elektrodo medžiaga).

kilmę

2014 m. Mokslinėje ataskaitoje buvo pranešta apie darbą su viso grafeno ličio baterijomis. Šioje viso grafeno baterijoje teigiamasis elektrodas yra paviršiaus funkcionalizuota grafeno medžiaga, o neigiamasis elektrodas - redukuotasis grafeno oksidas. Visa baterija naudoja teigiamų ir neigiamų elektrodų paviršiaus reakciją, todėl gali pasiekti ypač didelį įkrovimą ir iškrovimą. Pagal bendrą elektrodo masę apskaičiuotas galios tankis gali siekti 2150 W / kg.

Maitinimo tankio požiūriu akumuliatorius iš tiesų yra perspektyvus, tačiau dar kartą pažvelgę ​​į energijos tankį galime pastebėti, kad energijos tankis, apskaičiuotas remiantis dviejų elektrodų mase, yra tik 130Wh / kg, o tai tiesiog sugeba norint pasiekti esamą ličio jonų akumuliatorių, remiantis sistemos masės skaičiavimu (neseniai populiaraus BYD ašmenų akumuliatoriaus sistemos energijos tankis yra 140Wh / kg;" Pagaminta Kinijoje 2025" aiškiai siūlo, kad vienintelis transporto priemonės energijos tankis - iki 2020 m. sumontuotos baterijos turėtų pasiekti 300Wh / kg). Jei jis bus integruotas į akumuliatorių sistemą, jo masės energijos tankis bus sumažintas dar nuo penkių iki šešiasdešimt procentų. Be to, šio grafeno akumuliatoriaus teigiamų ir neigiamų elektrodų medžiagose nėra ličio, todėl prieš sujungiant į pilną akumuliatorių, reikia atlikti elektrocheminį išankstinį litijavimą puselementyje. Taip žvelgiant, grafeno baterijos gali būti pirmosios, kuriančios didelės galios scenarijus, tačiau jų energijos tankis dar toli gražu neatitinka žmonių lūkesčių.

Taigi, ar teoriškai grafenas gali būti naudojamas kaip neigiamo elektrodo medžiaga tokioms baterijoms kaip grafitas? Ar ličio įterpimo mechanizmas yra toks pats kaip grafito? Koks jo teorinis ličio kaupimo pajėgumas? Daugelis tyrinėtojų mano, kad kadangi grafenas turi dvi puses, kurios gali adsorbuoti ličio atomus, jis gali suformuoti dvigubą Li2C6 ličio fazę ir turėti dvigubą specifinę talpą - 744 mAh / g. Šiais klausimais yra atlikta daugybė tyrimų. Kai kurie tyrėjai naudojo DFT skaičiavimus, norėdami sužinoti, kad ličio atomų negalima tiesiogiai adsorbuoti ant grafeno paviršiaus. Jie gali būti įterpti tik tarp grafeno sluoksnių arba į grafeno ir substrato vidurį per kraštus ar aukštos klasės defektus. Taigi šiuo atveju tai yra deinterkalacija ar adsorbcija ir kiek Li atomų galima laikyti?

Sutriuškinta

Reaguodamas į šią problemą, Tiandzino universiteto docentas Ji Kemengas pranešė apie savo tyrimus dėl dvigubo sluoksnio grafeno ličio interkaliacijos mechanizmo „Nature Communications“ 2019 m. medžiaga su aukštu specifiniu paviršiumi. Šios medžiagos nereikia tvirtinti prie pagrindo ir ji turi nedaug defektų, todėl galima pašalinti substrato ir defektų įtaką ličio jonų adsorbcijai ar deinterkalacijai, o tai naudinga tiriant ličio deinterkalacijos mechanizmą. pats grafenas. Nuolatinės srovės iškrovos bandymai ir ciklinės voltamperos kreivės rodo, kad dvigubo sluoksnio grafenas turi tą pačią elektrocheminę oksidacijos-redukcijos reakciją kaip ir įprasti grafito elektrodai, o ličio jonai deinterkaluojami tarp dviejų grafeno lakštų. Grafeno sluoksnių tarpai yra vienintelė ličio laikymo vieta, o ličio absorbavimo ir kaupimo idėja yra savaiminė! Taip pat yra dėmesio vertas reiškinys. Maksimali dvigubo sluoksnio grafeno talpa yra tik 180 mAh / g esant dabartiniam tankio diapazonui 0,2-50 A / g. Vėlesnis fazės apibūdinimas rodo, kad ličio kaupimo fazės stechiometrinė sudėtis yra LiC12, o ne grafito elektrodo LiC6 nėra vadinamoji dviguba ličio kaupimo Li2C6 fazė.

Šis tyrimo rezultatas rodo, kad „Daumas-Hérold'“ srities modelis yra tinkamesnis apibūdinant grafito elektrodų ličio kaupimosi elgseną nei „Rüdorff&# 39“ modelis, ir baigė pusę amžiaus vykusias diskusijas dėl grafitas. Tuo pačiu metu teorinė grafeno ličio kaupimo galia buvo galutinai patvirtinta, o teorinė 180mAh / g talpa yra daug mažesnė už grafito anodo elektrocheminį ličio kaupimo pajėgumą. Grafeno akumuliatoriaus burbulas sprogo pats!

Atsekamumas

Taigi, iš kur kyla didelis grafeno pajėgumas, apie kurį pranešta daugelyje dokumentų? Mes žinome, kad grafeno medžiagos, kurias žmonės dažniausiai gamina, nėra palyginti grynas grafenas, kaip pirmiau. Daugelyje grafenų, kuriuos galime gauti, yra daug defektų (įskaitant tiek vidinius anglies medžiagų vakansijos defektus, tiek defektus, kuriuos sukelia specialiai įvestos heteroatomo vietos), o paviršiuje yra daugybė funkcinių grupių (tokių kaip karboksilas, hidroksilas, Šias grupes lengva chemiškai sąveikauti su ličiu, pavyzdžiui, epoksidinėmis grupėmis). Šių veiksnių uždėjimas ir didžiulis specifinis grafeno paviršiaus plotas sukels didelį ličio kiekį nedalyvaujant elektrocheminėje reakcijoje deinterkalacijos forma, bet prisidės prie pseudokapacitacijos adsorbcijos pavidalu. Dėl šių pseudokapacitacinių efektų atrodo, kad grafeno talpa yra labai didelė, o elektrocheminė kinetika yra greita, tačiau tai neturi didelės įtakos visos baterijos energijos tankio padidėjimui. Be to, gausios reakcijos vietos ir didelis defektų kiekis taip pat lems nuolat vartojamą ribotą aktyvaus ličio kiekį, todėl sumažės kuloninis efektyvumas, o tai lemia visos baterijos talpos stabilumą.

ateityje

Atlikus pirmiau pateiktą analizę, grafenas, kaip neigiama baterijų elektrodo medžiaga, yra beviltiška, jei jis nori patekti į tūkstančius namų ūkių. Tačiau tai nereiškia, kad grafenas yra nenaudingas energijos kaupimo srityje. Be ličio kaupimo savybių, pats grafenas taip pat pasižymi ypač dideliu elektros laidumu ir puikiu šilumos laidumu. Du faktoriai, susiję su elektra ir šiluma, turi lemiamą vaidmenį tikrosiose baterijose. Ypač šilumos, akumuliatoriaus saugumo avarijos, kurias sukelia terminis bėgimas, netgi gali vetuoti daugybę elektrodų, pasižyminčių puikiu elektrocheminiu veikimu. Jei akumuliatoriui taikomi tiek elektros, tiek šilumos laidumo pranašumai,&grafeno akumuliatorius&taip pat gali spindėti.

Žinoma, grafenas, kaip savotiška stebuklinga medžiaga, nežino, ar jis kitais būdais atneš naują akumuliatoriaus revoliuciją? Kaip ir naujausi žiniasklaidos pranešimai iš nežinomų šaltinių, „Mercedes-Benz“ kuria grafeno pagrindu pagamintą organinę bateriją. Konkrečios technologijos dar neatskleista. Bet kokiu atveju tai bus mažiausiai 10 metų. Nesvarbu, ar tai nauja revoliucija, ar naujas burbulas, mes lauksime ir pamatysime!

Trumpai tariant, energijos kaupimo sritis, kurios tikslas - praktiškumas, nėra" persekiojimas žvaigždžių" ;. Teoriškai įmanomas neigiamas grafeno elektrodas reikalauja per griežtų sąlygų (tobulas grafenas). Faktinėje gamyboje būtina mokėti didelę savikainą, o tai prieštarauja pirminiam ketinimui padidinti energijos tankį ir sumažinti gamybos sąnaudas. Dar daugiau,' teorinė galimybė pagaliau pasirodė neįmanoma. Kitą kartą kils žiniasklaidos ažiotažas apie" grafeno akumuliatorius" ;, jūs turite atidaryti akis, kad aiškiai matytumėte