Grafēna baterijas: mīts vai burbulis?

Izaicinājumi, ar kuriem saskaras litija jonu akumulatori

Pēdējo divu desmitgažu laikā kopš litija jonu bateriju parādīšanās mūsu pasaule un dzīve ir radījusi zemes satricinošas izmaiņas. Enerģijas uzglabāšanas ierīču, piemēram, plaša patēriņa elektronisko iekārtu un elektrisko transportlīdzekļu, īpašās enerģijas un lielās jaudas darba prasības ir padarījušas esošās litija jonu baterijas GG; uzsvēra GG. Akumulatoru tehnoloģiju jauninājumi ir ievērojami atpalikuši no elektronisko iekārtu jaunināšanas un ir kļuvuši par lietotāju pieredzes ierobežojumu. Lielākā vājā vieta.

Tradicionālās litija jonu baterijas ir balstītas uz aktīvo litija jonu transportēšanu starp pozitīvajiem un negatīvajiem materiāliem, lai panāktu ķīmiskās enerģijas un elektriskās enerģijas pārveidošanu. Tomēr tieši šis elektroķīmiskais ievietošanas un ekstrakcijas mehānisms padara litija jonu akumulatoru jaudu un enerģijas blīvumu arvien nespējīgāku apmierināt pielietošanas scenāriju vajadzības. Runājot par negatīvo elektrodu materiāliem, komerciālo litija jonu bateriju negatīvie elektrodu materiāli, ko attēlo grafīts, izmanto litija jonus, lai deinterkalētu starp grafīta slāņiem, lai strādātu. Tomēr litija vietas grafītā un paša grafīta starpslāņu atstarpe ir ļoti ierobežota, kas liek litija jonu akumulatoriem saskarties ar nepietiekamas jaudas un zemas īpatnējās enerģijas dilemmu.

Grafēna akumulators: izrādījās

Laikā, kad cilvēkiem ir zaudējumi, ir iznācis jauna veida zvaigžņu oglekļa materiāls-grafēns! Grafēnu var uzskatīt par viena slāņa grafītu, kuram ir daudz litija starpkalāžu vietu, un tam ir īpaši augsta elektroniskā vadītspēja un milzīga īpatnējā virsma. Vai šādā veidā grafēns var aizstāt grafītu, lai uzspridzinātu revolūciju enerģijas uzglabāšanas nozarē? Ar lielu ietilpību, lielu enerģijas blīvumu un ātru uzlādi' t šie&nav; Peach Blossom Springs" ko cilvēki vajā tieši, kļūst par realitāti? ! Dažādi plašsaziņas līdzekļi ir arī sākuši ziņot par grafēna bateriju priekšrocībām un veikt atbilstošu ažiotāžu. Kādu laiku ar grafēna akumulatoriem saistītās koncepcijas krājumi ir kļuvuši populāri. Šķiet, ka visa akumulatoru nozare ir pieveikta. Visi gaida grafēna baterijas. Laiku pienākšana.

Tomēr vai tas tiešām tā ir? Šis saturs galvenokārt ir no zinātniskā viedokļa, lai visiem atklātu noslēpumainās grafēna baterijas plīvuru (Piezīme: Grafēna akumulatoram vēl nav skaidra jēdziena, atbilstoši grafēna lomai var aptuveni iedalīt grafēnā kā vadītspējīgā piedevā un grafīts Ir divu veidu ene kā negatīvā elektroda materiāls.Šajā rakstā aplūkots grafēns kā akumulatora negatīvā elektroda materiāls)

izcelsmi

2014. gadā zinātniskajā ziņojumā tika ziņots par darbu ar grafēna litija baterijām. Šajā viss grafēna akumulatorā pozitīvais elektrods ir virsmas funkcionāls grafēna materiāls, un negatīvais elektrods ir reducēts grafēna oksīds. Visa baterija izmanto pozitīvo un negatīvo elektrodu virsmas reakciju, tāpēc tā var sasniegt ļoti lielu ātrumu un izlādi. Jaudas blīvums, kas aprēķināts, pamatojoties uz kopējo elektrodu masu, var sasniegt 2150 W / kg.

No jaudas blīvuma viedokļa akumulators patiešām ir daudzsološs, taču, atkārtoti aplūkojot enerģijas blīvumu, mēs varam secināt, ka enerģijas blīvums, kas aprēķināts, pamatojoties uz divu elektrodu masu, ir tikai 130Wh / kg, kas ir vienkārši spējīgs lai sasniegtu esošo litija jonu akumulatoru, pamatojoties uz sistēmas masas aprēķinu (Nesen populārā BYD asmens akumulatora sistēmas enerģijas blīvums ir 140Wh / kg;" Ražots Ķīnā 2025" skaidri ierosina, ka transportlīdzekļa vienotais enerģijas blīvums līdz 2020. gadam uzstādītajām akumulatoriem vajadzētu sasniegt 300Wh / kg). Ja tas ir integrēts akumulatoru sistēmā, tā masas enerģijas blīvums tiks samazināts vēl par pieciem līdz sešdesmit procentiem. Turklāt šī grafēna akumulatora pozitīvie un negatīvie elektrodu materiāli nesatur litiju, tāpēc pirms šūnas pielāgošanas pilnā akumulatorā jāveic elektroķīmiska priekšlitija puselementā. Šādi skatoties, grafēna akumulatori var būt pirmie, kas izstrādāti lieljaudas scenārijos, taču to enerģijas blīvums joprojām ir tālu no cilvēku&# 39 cerībām.

Tātad teorētiski, vai grafēnu var izmantot kā negatīvu elektrodu materiālu tādām baterijām kā grafīts? Vai litija ievietošanas mehānisms ir tāds pats kā grafīts? Kāda ir tā teorētiskā litija uzglabāšanas jauda? Daudzi pētnieki uzskata, ka, tā kā grafēnam ir divas puses, kas var adsorbēt litija atomus, tas var veidot Li2C6 divkāršu litija fāzi un tā dubultā īpatnējā jauda ir 744 mAh / g. Par šiem jautājumiem ir daudz pētījumu. Daži pētnieki ir izmantojuši DFT aprēķinus, lai noskaidrotu, ka litija atomus nevar tieši adsorbēt uz grafēna virsmas. Tos var ievietot tikai starp grafēna slāņiem vai grafēna un substrāta vidū caur malām vai augstas pakāpes defektiem. Vai šajā gadījumā tā ir deinterkalācija vai adsorbcija un cik Li atomu var uzglabāt?

Sadragāts

Reaģējot uz šo problēmu, Tiaņdzjinas universitātes asociētais profesors Dži Kemengs ziņoja par pētījumu par divslāņu grafēna litija interkalācijas mehānismu Nature Communications 2019. gadā. Divslāņu grafēna sagatavošanai viņi izmantoja augstas temperatūras komutācijas ķīmisko tvaiku nogulsnēšanās metodi materiāls ar augstu specifisko virsmu. Šis materiāls nav jāpiestiprina pie pamatnes, un tam ir maz defektu, tāpēc var novērst substrāta un defektu ietekmi uz litija jonu adsorbciju vai deinterkalāciju, kas ir izdevīgi litija deinterkalācijas mehānisma izpētei. pats grafēns. Pastāvīgas strāvas lādēšanas-izlādes testi un cikliskās voltmetrijas līknes parāda, ka divslāņu grafēnam ir tāda pati elektroķīmiskā oksidēšanās-reducēšanās reakcija kā parastajiem grafīta elektrodiem, un litija joni tiek deinterkalēti starp abām grafēna loksnēm. Grafēna slāņa atstatums ir vienīgā vieta litija uzglabāšanai, un ideja par litija absorbēšanu un uzglabāšanu ir pašiznīcināšanās! Ir arī ievērības cienīga parādība. Divslāņu grafēna maksimālā jauda ir tikai 180 mAh / g pašreizējā blīvuma diapazonā 0,2-50 A / g. Turpmākais fāžu raksturojums rāda, ka litija uzglabāšanas fāzes stehiometriskais sastāvs ir LiC12 un negrafīta elektroda LiC6 nav tā sauktā divkāršā litija uzglabāšanas Li2C6 fāze.

Šis pētījuma rezultāts parāda, ka Daumas-Hérold' domēna modelis ir piemērotāks grafīta elektrodu litija uzglabāšanas raksturojumam nekā Rüdorff' modelis un ir beidzis pusgadsimtu ilgās debates par litija uzglabāšanas mehānismu grafīts. Tajā pašā laikā grafēna teorētiskā litija uzglabāšanas jauda beidzot ir apstiprināta, un teorētiskā jauda 180mAh / g ir daudz zemāka par grafīta anoda elektroķīmisko litija uzglabāšanas jaudu. Grafēna akumulatora burbulis pats pārsprāgst!

Izsekojamība

Tātad, no kurienes rodas daudzos dokumentos norādītā lielā grafēna ietilpība? Mēs zinām, ka grafēna materiāli, ko cilvēki parasti ražo, nav salīdzinoši tīrs grafēns, kā iepriekš. Daudzi no grafēniem, kurus mēs varam iegūt, ir bagāti ar defektiem (ieskaitot gan oglekļa materiālu iekšējos vakances defektus, gan defektus, ko izraisa īpaši ieviestas heteroatomu vietas), un virsma ir bagāta ar dažādām funkcionālām grupām (piemēram, karboksilgrupu, hidroksilgrupu, Šīs grupas ir viegli ķīmiski mijiedarbojas ar litiju, piemēram, epoksigrupas). Šo faktoru superpozīcija un paša grafēna milzīgais īpatnējais laukums izraisīs lielu litija daudzumu nepiedalīšanos elektroķīmiskajā reakcijā deintercalation formā, bet gan veicina pseidokapacitāti adsorbcijas veidā. Šie pseidokapacitātes efekti liek domāt, ka grafēna jauda ir ļoti liela un elektroķīmiskā kinētika ir ātra, taču tas maz ietekmē pilnas baterijas enerģijas blīvuma palielināšanos. Turklāt bagātīgās reakcijas vietas un augsts defektu saturs izraisīs arī ierobežotā aktīvā litija nepārtrauktu patēriņu, kā rezultātā samazināsies kuloniskā efektivitāte, kas ir nāvējoša pilnas baterijas kapacitātes stabilitātei.

nākotnē

Pēc iepriekš minētās analīzes grafēns kā negatīvs elektrodu materiāls baterijām ir bezcerīgs, ja tas vēlas iekļūt tūkstošiem mājsaimniecību. Tomēr tas nenozīmē, ka grafēns enerģijas uzkrāšanas jomā ir bezjēdzīgs. Papildus litija uzglabāšanas veiktspējai grafēnam ir arī īpaši augsta elektrovadītspēja un lieliska siltuma vadītspēja. Abiem elektrības un siltuma faktoriem ir galvenā loma faktiskajās baterijās. Īpaši siltuma, akumulatora drošības negadījumi, ko izraisa termiskā pārbēgšana, pat var uzlikt veto daudziem elektrodu materiāliem ar izcilu elektroķīmisko veiktspēju. Ja akumulatoram tiek izmantotas gan elektriskās, gan siltuma vadītspējas priekšrocības,&grafēna akumulators&var arī spīdēt.

Protams, grafēns kā savdabīgs maģisks materiāls nezina, vai tas citādā veidā ienesīs akumulatorā jaunu revolūciju? Tāpat kā nesenie plašsaziņas līdzekļu ziņojumi no nezināmiem avotiem, arī Mercedes-Benz izstrādā organisko akumulatoru uz grafēna bāzes. Konkrētā tehnoloģija vēl nav atklāta. Jebkurā gadījumā tas būs vismaz 10 gadus vēlāk. Vai tā būtu jauna revolūcija vai jauns burbulis, mēs gaidīsim un redzēsim!

Īsāk sakot, enerģijas uzglabāšanas lauks, kura mērķis ir praktiskums, nav" pakaļdzīšanās zvaigznes" ;. Teorētiski iespējamais grafēna negatīvais elektrods prasa pārāk bargus apstākļus (ideāls grafēns). Faktiskajā ražošanā ir jāmaksā augsta pašizmaksa, kas ir pretrunā sākotnējam nodomam palielināt enerģijas blīvumu un samazināt ražošanas izmaksas. Vēl vairāk&# 39, teorētiskā iespējamība beidzot ir izrādījusies neiespējama. Nākamreiz, kad par&sacentīsies mediju ažiotāža; grafēna akumulators" jums acis ir jāatver, lai skaidri redzētu