Графенови батерии: мит или балон?

Предизвикателства пред литиево-йонните батерии

През последните две десетилетия от появата на литиево-йонните батерии нашият свят и живот донесоха разтърсващи промени. Високите специфични изисквания за енергия и висока мощност на устройствата за съхранение на енергия, като потребителско електронно оборудване и електрически превозни средства, направиха съществуващите литиево-йонни батерии&„подчерта“&„. Иновациите в технологията на батериите изостават далеч след надграждането на електронното оборудване и се превръщат в ограничение за потребителския опит. Най-голямото тесно място.

Традиционните литиево-йонни батерии се основават на совалката на активни литиеви йони между положителните и отрицателните материали за постигане на преобразуване на химическата енергия и електрическата енергия. Въпреки това, точно този електрохимичен механизъм на вмъкване и извличане прави капацитета и енергийната плътност на литиево-йонните батерии все по-неспособни да отговорят на нуждите на сценариите за приложение. По отношение на материалите с отрицателни електроди, материалите с отрицателни електроди на търговските литиево-йонни батерии, представени от графит, използват литиеви йони, за да деинтеркалират между графитните слоеве, за да работят. Въпреки това местата на литий в графита и междуслойното разстояние на самия графит са много ограничени, което принуждава литиево-йонните батерии да се изправят пред дилемата за недостатъчен капацитет и ниска специфична енергия.

Графенова батерия: оказа се

Във време, когато хората са на загуба, излезе нов тип въглероден материал-звезда-графен! Графенът може да се разглежда като еднослоен графит, който има изобилие от места за литиева интеркалация и има свръхвисока електронна проводимост и огромна специфична повърхност. По този начин може ли графенът да замени графита, за да детонира революция в индустрията за съхранение на енергия? С висок капацитет, висока енергийна плътност и бързо зареждане, не' не тези" Peach Blossom Springs" че хората са преследвали директно да се превърне в реалност? ! Различни медии също започнаха да съобщават за предимствата на графеновите батерии и да правят съответната реклама. За известно време концепциите, свързани с графенова батерия, станаха популярни. Цялата индустрия на батериите изглежда е победена. Всички очакват с нетърпение графеновите батерии. Пристигането на времената.

Дали обаче наистина е така? Следното съдържание е главно от научна гледна точка, за да се разкрие завесата на мистериозната графенова батерия за всички (Забележка: Графеновата батерия все още няма ясна концепция, според ролята на графена може грубо да се раздели на графен като проводяща добавка и графит Има два вида ен като материал с отрицателен електрод. Тази статия разглежда графена като материал с отрицателен електрод на батерията).

произход

През 2014 г. Scientific Report съобщава за работа върху изцяло графенови литиеви батерии. В тази изцяло графенова батерия положителният електрод е повърхностно функционализиран графенов материал, а отрицателният електрод е редуциран графенов оксид. Цялата батерия използва повърхностната реакция на положителните и отрицателните електроди, така че може да постигне супер висока скорост на зареждане и разреждане. Плътността на мощността, изчислена въз основа на общата маса на електрода, може да достигне 2150W / kg.

От гледна точка на плътността на мощността батерията наистина е обещаваща, но когато погледнем отново енергийната плътност, можем да открием, че енергийната плътност, изчислена въз основа на масата на двата електрода, е само 130Wh / kg, което е в състояние за достигане до съществуващата литиево-йонна батерия въз основа на изчисляването на масата на системата (Системната енергийна плътност на популярната наскоро батерия BYD е 140Wh / kg;" Произведено в Китай 2025" ясно предлага, че единичната енергийна плътност на превозното средство - батериите с минимална мощност трябва да достигнат 300Wh / kg до 2020 г.). Ако е интегриран в акумулаторна система, неговата масова енергийна плътност ще бъде намалена с още пет до шестдесет процента. Освен това положителните и отрицателните електродни материали на тази изцяло графенова батерия не съдържат литий, така че трябва да се извърши електрохимично предварително литиране в полуклетката, преди да се съчетаят в пълна батерия. Поглеждайки по този начин, графеновите батерии може да са първите, които се развиват при сценарии с висока мощност, но тяхната енергийна плътност все още е далеч от очакванията на хората'

Така че на теория, може ли графенът да се използва като отрицателен електроден материал за батерии като графит? Същият ли е механизмът на вкарване на литий като графита? Какъв е неговият теоретичен капацитет за съхранение на литий? Много изследователи вярват, че тъй като графенът има две страни, които могат да адсорбират литиеви атоми, той може да образува двойна литиева фаза на Li2C6 и има двоен специфичен капацитет от 744 mAh / g. Има много изследвания по тези въпроси. Някои изследователи са използвали DFT изчисления, за да установят, че литиевите атоми не могат да се адсорбират директно върху повърхността на графена. Те могат да бъдат вградени само между графеновите слоеве или в средата на графена и субстрата чрез ръбове или дефекти от висок ред. Така че в този случай деинтеркалацията или адсорбцията ли е и колко Li атома могат да се съхраняват?

Разбити

В отговор на този проблем доцент Джи Кеменг от университета в Тиендзин докладва за своето изследване на механизма за литиева интеркалация на двуслойния графен в Nature Communications през 2019 г. Те са използвали метод на високотемпературно превключване с химическо отлагане на пари, за да приготвят двуслоен графен материал с висока специфична повърхност. Този материал не е необходимо да се прикрепя към основата и има малко дефекти, така че влиянието на субстрата и дефектите върху адсорбцията или деинтеркалацията на литиеви йони може да бъде елиминирано, което е от полза за изследването на механизма на деинтеркалация на лития в самият графен. Тестовете за постоянен ток и заряди на циклична волтаметрия показват, че двуслойният графен има същата реакция на електрохимично окисление-редукция като конвенционалните графитни електроди и литиевите йони се деинтеркалират между двата листа графен. Разстоянието между графеновите слоеве е единственото място за съхранение на литий, а идеята за поемане и съхранение на литий е саморазрушителна! Има и забележително явление. Максималният капацитет на двуслойния графен е само 180 mAh / g в настоящия диапазон на плътност от 0,2-50 A / g. Последващата фазова характеристика показва, че стехиометричният състав на фазата за съхранение на литий е LiC12 и LiC6 на неграфитовия електрод не е така наречената двойна литиева фаза за съхранение на Li2C6.

Този резултат от изследването показва, че моделът на домейна на Daumas-Hérold' е по-подходящ за описване на поведението на литий за съхранение на графитни електроди, отколкото моделът на Rüdorff' графит. В същото време теоретичният капацитет на графен за съхранение на литий най-накрая е потвърден и теоретичният капацитет от 180mAh / g е далеч по-нисък от електрохимичния капацитет за съхранение на литий на графитния анод. Балонът на графеновата батерия се пръсва!

Проследимост

И така, откъде идва големият капацитет на графен, за който се съобщава в много документи? Знаем, че графеновите материали, които хората обикновено правят, не са относително чист графен като горепосочените. Много от графените, които можем да получим, са богати на дефекти (включително както присъщите вакантни дефекти на въглеродните материали, така и дефектите, причинени от специално въведени места с хетероатом), а повърхността е богата на различни функционални групи (като карбоксил, хидроксил, Тези групи са лесни за химическо взаимодействие с литий, като епоксидни групи). Суперпозицията на тези фактори и огромната специфична повърхност на самия графен ще доведе до това, че голямо количество литий няма да участва в електрохимичната реакция под формата на деинтеркалация, а ще допринесе за псевдокондензатора под формата на адсорбция. Тези псевдокапацитетни ефекти показват, че графеновият капацитет е много висок и електрохимичната кинетика е бърза, но това има малък ефект върху увеличаването на енергийната плътност на пълната батерия. Нещо повече, обилните места на реакция и високото съдържание на дефекти също ще доведат до непрекъснато изразходване на ограничения активен литий, което води до намаляване на кулонамичната ефективност, което е фатално за стабилността на капацитета на пълната батерия.

бъдеще

След горния анализ графенът като отрицателен електроден материал за батериите е безнадежден, ако иска да влезе в хиляди домакинства. Това обаче не означава, че графенът е безполезен в областта на съхранението на енергия. В допълнение към литиевото съхранение, самият графен също има свръхвисока електрическа проводимост и отлична топлопроводимост. Двата фактора на електричеството и топлината играят ключова роля в действителните батерии. Особено топлина, инциденти с безопасността на батериите, предизвикани от изтичане на топлина, могат дори да наложат много електродни материали с отлични електрохимични характеристики. Ако предимствата на електрическата и топлопроводимостта се прилагат към батерията," графенова батерия" може също да блести.

Разбира се, като вид магически материал, графенът не знае дали ще донесе нова революция на батерията по други начини? Подобно на последните съобщения в медиите от неизвестни източници, Mercedes-Benz разработва органична батерия на основата на графен. Все още не е разкрита конкретната технология. Както и да е, това ще бъде поне 10 години по-късно. Дали ще е нова революция или нов балон, ще изчакаме и ще видим!

Накратко, областта на съхранението на енергия, която цели практичност, не е&"; преследване на звезди GG". Теоретично осъществимият графенов отрицателен електрод изисква твърде тежки условия (перфектен графен). При действителното производство е необходимо да се плати висока себестойност, която противоречи на първоначалното намерение за увеличаване на енергийната плътност и намаляване на производствените разходи. Още повече, че&# 39, теоретичната осъществимост най-накрая се оказа невъзможна. Следващия път ще има медиен шум за" графенова батерия" ;, трябва да държите очите си отворени, за да виждате ясно