Графеновые батареи: миф или пузырь?

Проблемы, с которыми сталкиваются литий-ионные батареи

За последние два десятилетия, прошедшие с момента появления литий-ионных аккумуляторов, наш мир и жизнь претерпели потрясающие изменения. Высокая удельная энергия и высокие рабочие требования к устройствам накопления энергии, таким как электронное оборудование и электромобили, сделали существующие литий-ионные батареи" подчеркнула" ;. Инновации в аккумуляторных технологиях сильно отстали от модернизации электронного оборудования и стали ограничивать пользовательский опыт. Самое большое узкое место.

Традиционные литий-ионные батареи основаны на перемещении активных ионов лития между положительными и отрицательными материалами для достижения преобразования химической энергии и электрической энергии. Однако именно этот электрохимический механизм вставки и извлечения делает емкость и плотность энергии литий-ионных аккумуляторов все более неспособными удовлетворить потребности сценариев применения. Что касается материалов отрицательного электрода, материалы отрицательного электрода коммерческих литий-ионных батарей, представленные графитом, используют ионы лития для деинтеркаляции между слоями графита для работы. Однако участки лития в графите и расстояние между слоями самого графита очень ограничены, что заставляет литий-ионные батареи сталкиваться с дилеммой недостаточной емкости и низкой удельной энергии.

Графеновый аккумулятор: получился

В то время, когда люди растеряны, появился новый тип звездного углеродного материала - графен! Графен можно рассматривать как однослойный графит, который имеет множество центров интеркаляции лития, обладает сверхвысокой электронной проводимостью и огромной удельной поверхностью. Таким образом, может ли графен заменить графит, чтобы произвести революцию в индустрии накопления энергии? Благодаря высокой емкости, высокой плотности энергии и быстрой зарядке, не забудьте' t" Peach Blossom Springs" что люди добивались прямого воплощения в реальность? ! Различные СМИ также начали сообщать о преимуществах графеновых батарей и поднимать соответствующую шумиху. На какое-то время стали популярными концептуальные акции, связанные с графеновыми батареями. Кажется, что вся индустрия аккумуляторов потерпела поражение. Все с нетерпением ждут графеновых батарей. Приход времени.

Однако так ли это на самом деле? Следующее содержание в основном с научной точки зрения, чтобы раскрыть завесу таинственной графеновой батареи для всех (Примечание: графеновая батарея еще не имеет четкой концепции, в соответствии с ролью графена можно грубо разделить на графен как проводящую добавку и графит. Существует два типа ена в качестве материала отрицательного электрода. В этой статье рассматривается графен в качестве материала отрицательного электрода батареи.

происхождение

В 2014 году Scientific Report сообщил о работе над полностью графеновыми литиевыми батареями. В этой полностью графеновой батарее положительный электрод выполнен из графенового материала с функционализированной поверхностью, а отрицательный электрод - из восстановленного оксида графена. Вся батарея использует поверхностную реакцию положительного и отрицательного электродов, поэтому она может обеспечивать сверхвысокую скорость заряда и разряда. Плотность мощности, рассчитанная на основе общей массы электрода, может достигать 2150 Вт / кг.

С точки зрения плотности мощности батарея действительно многообещающая, но когда мы снова посмотрим на плотность энергии, мы можем обнаружить, что плотность энергии, рассчитанная на основе массы двух электродов, составляет всего 130 Вт · ч / кг, что вполне возможно. для достижения существующей литий-ионной батареи на основе расчета массы системы (плотность энергии системы недавно популярной лезвийной батареи BYD составляет 140 Вт · ч / кг;" Сделано в Китае 2025" ясно предполагает, что единая плотность энергии транспортного средства -мощные аккумуляторные батареи должны достичь к 2020 г. 300Втч / кг). Если он интегрирован в систему батарей, его удельная масса энергии будет снижена еще на пять-шестьдесят процентов. Кроме того, материалы положительного и отрицательного электродов этой полностью графеновой батареи не содержат лития, поэтому перед согласованием с полной батареей необходимо провести предварительную электрохимическую литиацию в полуэлементе. Глядя на это с этой точки зрения, графеновые батареи могут быть первыми, кто разовьется в сценариях с высокой мощностью, но их плотность энергии все еще далека от ожиданий людей.

Итак, теоретически можно ли использовать графен в качестве материала отрицательного электрода для таких батарей, как графит? Механизм введения лития такой же, как у графита? Какова его теоретическая емкость хранения лития? Многие исследователи считают, что, поскольку у графена есть две стороны, которые могут адсорбировать атомы лития, он может образовывать двойную литиевую фазу Li2C6 и имеет удвоенную удельную емкость 744 мАч / г. По этим вопросам ведется много исследований. Некоторые исследователи использовали расчеты методом DFT, чтобы обнаружить, что атомы лития не могут адсорбироваться непосредственно на поверхности графена. Их можно внедрить только между слоями графена или в середину графена и подложки через края или дефекты высокого порядка. Итак, в данном случае это деинтеркаляция или адсорбция, и сколько атомов Li может быть сохранено?

Разбитый

В ответ на эту проблему доцент Цзи Кеменг из Тяньцзиньского университета сообщил о своем исследовании механизма интеркаляции лития в двухслойном графене в Nature Communications в 2019 году. Они использовали высокотемпературный метод химического осаждения из паровой фазы для приготовления двухслойного графена. материал с высокой удельной поверхностью. Этот материал не требует прикрепления к подложке и имеет небольшое количество дефектов, поэтому влияние подложки и дефектов на адсорбцию или деинтеркаляцию ионов лития можно устранить, что полезно для изучения механизма деинтеркаляции лития в сам графен. Испытания на постоянном токе заряда-разряда и кривые циклической вольтамперометрии показывают, что двухслойный графен имеет ту же электрохимическую реакцию окисления-восстановления, что и обычные графитовые электроды, и ионы лития деинтеркалируются между двумя графеновыми листами. Расстояние между слоями графена - единственное место для хранения лития, а идея поглощения и хранения лития обречена на провал! Есть еще одно примечательное явление. Максимальная емкость двухслойного графена составляет всего 180 мАч / г в диапазоне плотностей тока 0,2-50 А / г. Последующая характеристика фаз показывает, что стехиометрический состав фазы накопления лития представляет собой LiC12, а LiC6 неграфитового электрода не является так называемой фазой Li2C6 с двойным накоплением лития.

Этот результат исследования показывает, что модель домена Даума-Эрольда' более подходит для описания поведения накопления лития в графитовых электродах, чем модель Рюдорфа' и положила конец полувековым спорам о механизме накопления лития в электродах. графит. В то же время теоретическая емкость лития графена была окончательно подтверждена, и теоретическая емкость 180 мАч / г намного уступает электрохимической емкости лития графитового анода. Пузырь графеновой батареи лопается сам!

Прослеживаемость

Итак, откуда взялась высокая емкость графена, о которой говорится во многих документах? Мы знаем, что графеновые материалы, которые обычно делают люди, не являются относительно чистым графеном, как указано выше. Многие из графенов, которые мы можем получить, богаты дефектами (включая как внутренние вакансионные дефекты углеродных материалов, так и дефекты, вызванные специально введенными узлами гетероатомов), а поверхность богата множеством функциональных групп (таких как карбоксил, гидроксил, Эти группы легко химически взаимодействуют с литием, например эпоксидные группы). Наложение этих факторов и огромная удельная поверхность самого графена приведет к тому, что большое количество лития не будет участвовать в электрохимической реакции в форме деинтеркаляции, а будет вносить вклад в псевдоемкость в форме адсорбции. Эти эффекты псевдоемкости создают впечатление, что емкость графена очень высока, а электрохимическая кинетика является быстрой, но это мало влияет на увеличение плотности энергии полной батареи. Более того, обилие реакционных центров и высокое содержание дефектов также вызовут постоянное потребление ограниченного количества активного лития, что приведет к снижению кулоновской эффективности, что фатально для стабильности емкости полной батареи.

будущее

После проведенного выше анализа графен как материал отрицательного электрода для батарей безнадежен, если он хочет проникнуть в тысячи домашних хозяйств. Однако это не означает, что графен бесполезен в области накопления энергии. Помимо способности накапливать литий, сам графен также обладает сверхвысокой электропроводностью и отличной теплопроводностью. Два фактора - электричество и тепло - играют решающую роль в реальных батареях. В частности, перегрев и несчастные случаи, связанные с безопасностью аккумуляторов, вызванные тепловым разгоном, могут даже наложить запрет на многие электродные материалы с превосходными электрохимическими характеристиками. Если к батарее применяются преимущества как электрической, так и теплопроводности," графеновая батарея" может также сиять.

Конечно, как некий магический материал, графен не знает, принесет ли он новую революцию в батарее другими способами? Как и недавние сообщения СМИ из неизвестных источников, Mercedes-Benz разрабатывает органический аккумулятор на основе графена. Конкретная технология пока не разглашается. Во всяком случае, это будет минимум через 10 лет. Будет ли это новая революция или новый пузырь, мы подождем и посмотрим!

Короче говоря, область накопления энергии, которая нацелена на практичность, не является" гонкой за звездами" ;. Теоретически возможный отрицательный электрод из графена требует слишком жестких условий (идеальный графен). В реальном производстве необходимо платить высокую себестоимость, что противоречит первоначальному намерению увеличить плотность энергии и снизить производственные затраты. Более того, теоретическая осуществимость, наконец, оказалась неосуществимой. В следующий раз, когда в СМИ будет шумиха о&"графеновая батарея GG", вы должны держать глаза открытыми, чтобы четко видеть