Grafenbatterier: En myte eller en boble?

Udfordringer med lithium-ion-batterier

I løbet af de sidste to årtier siden fremkomsten af ​​lithium-ion-batterier har vores verden og liv medført jordskælvende ændringer. De høje specifikke energibehov og høje effektbehov for energilagringsenheder såsom forbrugerelektronisk udstyr og elektriske køretøjer har gjort de eksisterende lithium-ion-batterier" stressede" ;. Innovationen inden for batteriteknologi er faldet langt bagefter opgraderingen af ​​elektronisk udstyr og er blevet en begrænsning for brugeroplevelsen. Den største flaskehals.

Traditionelle lithium-ion-batterier er baseret på transport af aktive lithiumioner mellem de positive og negative materialer for at opnå omdannelsen af ​​kemisk energi og elektrisk energi. Det er dog netop denne elektrokemiske mekanisme til indsættelse og ekstraktion, der gør kapacitet og energitæthed hos lithium-ion-batterier i stigende grad ude af stand til at imødekomme behovene i applikationsscenarier. Med hensyn til negative elektrodematerialer bruger de negative elektrodematerialer fra kommercielle lithium-ion-batterier repræsenteret af grafit lithiumioner til at afinterkalere mellem grafitlag for at arbejde. Imidlertid er stederne af lithium i grafit og mellemlaget mellem grafit i sig selv meget begrænsede, hvilket tvinger lithium-ion-batterier til at klare dilemmaet med utilstrækkelig kapacitet og lav specifik energi.

Grafenbatteri: slukket

På et tidspunkt, hvor folk har tab, er der kommet en ny type stjernekulstof-materiale-grafen ud! Grafen kan betragtes som en enkeltlags grafit, der har rigelige lithium-interkaleringssteder og har ultrahøj elektronisk ledningsevne og et enormt specifikt overfladeareal. På denne måde kan grafen erstatte grafit for at detonere en revolution i energilagringsindustrien? Med høj kapacitet, høj energitæthed og hurtig opladning skal du ikke' ikke disse" Peach Blossom Springs" at folk har forfulgt direkte bliver virkelighed? ! Forskellige medier er også begyndt at rapportere om fordelene ved grafenbatterier og skabe tilsvarende hype. I et stykke tid er grafenbatterirelaterede konceptlagre blevet populære. Hele batteriindustrien ser ud til at være blevet slået. Alle ser frem til grafenbatterier. Tidernes ankomst.

Men er dette virkelig tilfældet? Følgende indhold er hovedsageligt fra et videnskabeligt synspunkt for at afdække sløret for det mystiske grafenbatteri for alle (Bemærk: Grafenbatteri har endnu ikke et klart koncept, ifølge grafens rolle kan groft opdeles i grafen som et ledende additiv og grafit Der er to typer ene som det negative elektrodemateriale. Denne artikel diskuterer grafen som batteriets negative elektrodemateriale).

oprindelse

I 2014 rapporterede Scientific Report om et arbejde med lithiumbatterier med helt grafen. I dette batteri med hele grafen er den positive elektrode overfladefunktionaliseret grafenmateriale, og den negative elektrode er reduceret grafenoxid. Hele batteriet bruger overfladereaktionen af ​​de positive og negative elektroder, så det kan opnå superhøj hastighedsopladning og afladning. Effektdensiteten beregnet ud fra den samlede elektrodemasse kan nå 2150W / kg.

Fra effekttæthedssynspunktet er batteriet virkelig lovende, men når vi ser på energitætheden igen, kan vi finde ud af, at energitætheden beregnet ud fra massen af ​​de to elektroder kun er 130Wh / kg, hvilket bare er i stand til for at nå det eksisterende lithium-ion-batteri baseret på systemmasseberegningen (Systemets energitæthed for det nyligt populære BYD-bladbatteri er 140Wh / kg;" Made in China 2025" foreslår klart, at køretøjets enkelt energitæthed -monterede strømbatterier skal nå op på 300Wh / kg inden 2020). Hvis det er integreret i et batterisystem, diskonteres dets massenergitæthed med yderligere fem til tres procent. Desuden indeholder de positive og negative elektrodematerialer i dette all-grafen-batteri ikke lithium, så elektrokemisk præ-lithiering i halvcellen skal udføres, inden den matches til et fuldt batteri. Ser man på det på denne måde, kan grafenbatterier være de første til at udvikle sig i scenarier med høj effekt, men deres energitæthed er stadig langt fra folks' s forventninger.

Så i teorien, kan grafen bruges som et negativt elektrodemateriale til batterier som grafit? Er mekanismen til lithiumindsættelse den samme som grafit? Hvad er dets teoretiske lagringskapacitet? Mange forskere mener, at fordi grafen har to sider, der kan adsorbere lithiumatomer, kan det danne en dobbelt lithiumfase af Li2C6 og har en dobbelt specifik kapacitet på 744 mAh / g. Der er mange undersøgelser om disse spørgsmål. Nogle forskere har brugt DFT-beregninger for at finde ud af, at lithiumatomer ikke kan adsorberes direkte på overfladen af ​​grafen. De kan kun indlejres mellem grafenlag eller i midten af ​​grafen og substrat gennem kanter eller højordensfejl. Så i dette tilfælde er det deintercalation eller adsorption, og hvor mange Li-atomer kan lagres?

Knust

Som svar på dette problem rapporterede lektor Ji Kemeng fra Tianjin University sin forskning om litium-interkaleringsmekanismen for dobbeltlagsgrafen i Nature Communications i 2019. De brugte en kemisk dampaflejringsmetode med høj temperatur for at fremstille en dobbeltlagsgrafen materiale med en høj specifik overflade. Dette materiale behøver ikke at blive fæstnet til substratet og har få defekter, så substratets indflydelse og defekter på adsorptionen eller deintercalation af lithiumioner kan elimineres, hvilket er gavnligt for undersøgelsen af ​​mekanismen til deintercalation af lithium i selve grafen. Konstant strømladningsafladningstest og cykliske voltammetri-kurver viser, at dobbeltlagsgrafen har den samme elektrokemiske oxidationsreduktionsreaktion som konventionelle grafitelektroder, og lithiumioner afinterkaleres mellem de to grafenark. Mellemrummet mellem grafenlag er det eneste rum til opbevaring af lithium, og ideen om at absorbere og opbevare lithium er selvdestruktiv! Der er også et bemærkelsesværdigt fænomen. Den maksimale kapacitet for dobbeltlags grafen er kun 180 mAh / g i det aktuelle densitetsområde på 0,2-50 A / g. Den efterfølgende fasekarakterisering viser, at den støkiometriske sammensætning af lithiumlagringsfasen er LiC12, og LiC6 af den ikke-grafitelektrode ikke er den såkaldte dual-lithiumlager Li2C6-fase.

Dette forskningsresultat viser, at Daumas-Hérold' s domænemodel er mere egnet til at beskrive lithiumlagringsadfærd for grafitelektroder end Rüdorff' s model, og har afsluttet den halve århundredes debat om lithiumlagringsmekanismen for grafit. Samtidig er den teoretiske lagringskapacitet for grafen endelig blevet bekræftet, og den teoretiske kapacitet på 180mAh / g er langt ringere end den elektrokemiske lagringskapacitet for grafitanoden. Grafenbatteriet sprænger sig selv!

Sporbarhed

Så hvor kommer den høje kapacitet af grafen rapporteret i mange dokumenter fra? Vi ved, at de grafenmaterialer, som folk normalt fremstiller, ikke er relativt ren grafen som ovenfor. Mange af de grafener, vi kan få, er rige på defekter (inklusive både de indre ledige defekter af kulstofmaterialer og defekterne forårsaget af specielt introducerede heteroatomsteder), og overfladen er rig på en række funktionelle grupper (såsom carboxyl, hydroxyl, Disse grupper er lette at kemisk interagere med lithium, såsom epoxygrupper). Overlejringen af ​​disse faktorer og det enorme specifikke overfladeareal af grafen i sig selv vil medføre, at en stor mængde lithium ikke deltager i den elektrokemiske reaktion i form af deintercalation, men bidrager til pseudokapacitansen i form af adsorption. Disse pseudokapacitanseffekter får det til at se ud som om grafenkapaciteten er meget høj, og at den elektrokemiske kinetik er hurtig, men dette har ringe effekt på stigningen i energitætheden for det fulde batteri. Desuden vil de rigelige reaktionssteder og det høje defektindhold også medføre, at det begrænsede aktive lithium kontinuerligt forbruges, hvilket resulterer i et fald i den coulombiske effektivitet, hvilket er fatalt for kapacitetsstabiliteten af ​​det fulde batteri.

fremtid

Efter ovenstående analyse er grafen som et negativt elektrodemateriale til batterier håbløst, hvis det ønsker at komme ind i tusinder af husstande. Dette betyder dog ikke, at grafen er ubrugelig inden for energilagring. Ud over lithium-lagringsydelse har grafen i sig selv også ultrahøj elektrisk ledningsevne og fremragende varmeledningsevne. De to faktorer elektricitet og varme spiller en central rolle i faktiske batterier. Især varme, batterisikkerhedsulykker induceret af termisk løb kan endda nedlægge veto mod mange elektrodematerialer med fremragende elektrokemisk ydeevne. Hvis fordelene ved både elektrisk og termisk ledningsevne anvendes på batteriet," grafen batteri" kan også skinne.

Selvfølgelig, som en slags magisk materiale, ved grafen ikke, om det vil bringe en ny revolution til batteriet på andre måder? Ligesom de seneste medieindberetninger fra ukendte kilder udvikler Mercedes-Benz et grafenbaseret organisk batteri. Den specifikke teknologi er endnu ikke afsløret. Under alle omstændigheder vil det være mindst 10 år senere. Uanset om det er en ny revolution eller en ny boble, vil vi vente og se!

Kort sagt er energilagringsområdet, der sigter mod praktisk anvendelse, ikke" jagter stjerner" ;. Den teoretisk gennemførlige grafen-negative elektrode kræver for barske forhold (perfekt grafen). I den faktiske produktion er det nødvendigt at betale en høj omkostningspris, hvilket er i strid med den oprindelige hensigt om at øge energitætheden og reducere produktionsomkostningerne. Hvad&nr. 39 er, har den teoretiske gennemførlighed endelig vist sig ikke at være mulig. Næste gang der vil være mediehype om" grafenbatteri" ;, skal du holde øjnene åbne for at se klart