Μπαταρίες Graphene: Ένας μύθος ή μια φούσκα;

Προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου

Τις δύο τελευταίες δεκαετίες από την έλευση των μπαταριών ιόντων λιθίου, ο κόσμος και η ζωή μας έχουν φέρει τρομακτικές αλλαγές Οι υψηλές ειδικές απαιτήσεις ενέργειας και υψηλής ισχύος των συσκευών αποθήκευσης ενέργειας όπως ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός καταναλωτών και τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν καταστήσει τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου&"τόνισε το GG". Η καινοτομία της τεχνολογίας μπαταριών έχει μείνει πολύ πίσω από την αναβάθμιση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού και έχει γίνει περιορισμός στην εμπειρία του χρήστη. Η μεγαλύτερη συμφόρηση

Οι παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου βασίζονται στη μεταφορά ενεργών ιόντων λιθίου μεταξύ των θετικών και αρνητικών υλικών για την επίτευξη της μετατροπής της χημικής ενέργειας και της ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, ακριβώς αυτός ο ηλεκτροχημικός μηχανισμός εισαγωγής και εξαγωγής κάνει την ικανότητα και την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου όλο και περισσότερο ανίκανη να ανταποκριθεί στις ανάγκες των σεναρίων εφαρμογής. Όσον αφορά τα αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων, τα αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων των εμπορικών μπαταριών ιόντων λιθίου που αντιπροσωπεύονται από γραφίτη χρησιμοποιούν ιόντα λιθίου για να απενεργοποιηθούν μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη για να λειτουργήσουν. Ωστόσο, οι θέσεις του λιθίου στον γραφίτη και η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων του ίδιου του γραφίτη είναι πολύ περιορισμένες, γεγονός που αναγκάζει τις μπαταρίες ιόντων λιθίου να αντιμετωπίσουν το δίλημμα ανεπαρκούς χωρητικότητας και χαμηλής ειδικής ενέργειας.

Μπαταρία Graphene: απενεργοποιήθηκε

Σε μια εποχή που οι άνθρωποι είναι σε απώλεια, ένας νέος τύπος αστεριού άνθρακα-γραφένιο έχει βγει! Το Graphene μπορεί να θεωρηθεί ως γραφίτης μονής στρώσης, ο οποίος έχει άφθονες τοποθεσίες παρεμβολής λιθίου, και έχει εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα και τεράστια ειδική επιφάνεια. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί το γραφένιο να αντικαταστήσει τον γραφίτη για να πυροδοτήσει μια επανάσταση στη βιομηχανία αποθήκευσης ενέργειας; Με υψηλή χωρητικότητα, υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και γρήγορη φόρτιση, μην' t αυτά τα&«Peach Blossom Springs GG»; ότι οι άνθρωποι συνεχίζουν να γίνονται πραγματικότητα; ! Διάφορα μέσα έχουν επίσης αρχίσει να αναφέρουν τα πλεονεκτήματα των μπαταριών γραφενίου και να κάνουν αντίστοιχη διαφημιστική εκστρατεία. Για μια στιγμή, τα αποθέματα που σχετίζονται με τις μπαταρίες γραφενίου έχουν γίνει δημοφιλή. Ολόκληρη η βιομηχανία μπαταριών φαίνεται να έχει χτυπηθεί. Όλοι προσβλέπουν σε μπαταρίες γραφενίου. Η άφιξη των καιρών.

Ωστόσο, αυτό συμβαίνει πραγματικά; Το ακόλουθο περιεχόμενο είναι κυρίως από επιστημονική άποψη για να αποκαλύψει το πέπλο της μυστηριώδους μπαταρίας γραφενίου για όλους (Σημείωση: Η μπαταρία Graphene δεν έχει ακόμη μια σαφή έννοια, σύμφωνα με το ρόλο του γραφενίου μπορεί να χωριστεί περίπου σε γραφένιο ως αγώγιμο πρόσθετο και γραφίτης Υπάρχουν δύο τύποι ene ως υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου. Αυτό το άρθρο περιγράφει το γραφένιο ως το αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου της μπαταρίας).

προέλευση

Το 2014, η Επιστημονική Έκθεση ανέφερε μια εργασία για τις μπαταρίες λιθίου ολο-γραφενίου. Σε αυτήν την μπαταρία ολο-γραφενίου, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι υλικό γραφενίου που λειτουργεί με την επιφάνεια και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μειωμένο οξείδιο γραφενίου. Ολόκληρη η μπαταρία χρησιμοποιεί την επιφανειακή αντίδραση των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, ώστε να μπορεί να επιτύχει εξαιρετικά υψηλό ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης. Η πυκνότητα ισχύος που υπολογίζεται με βάση τη συνολική μάζα ηλεκτροδίων μπορεί να φτάσει τα 2150W / kg.

Από την άποψη της πυκνότητας ισχύος, η μπαταρία είναι πράγματι πολλά υποσχόμενη, αλλά όταν κοιτάξουμε ξανά την ενεργειακή πυκνότητα, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η ενεργειακή πυκνότητα που υπολογίζεται με βάση τη μάζα των δύο ηλεκτροδίων είναι μόνο 130Wh / kg, η οποία είναι μόλις ικανή για να φτάσετε στην υπάρχουσα μπαταρία ιόντων λιθίου με βάση τον υπολογισμό της μάζας του συστήματος (Η ενεργειακή πυκνότητα της πρόσφατα δημοφιλούς μπαταρίας λεπίδων BYD είναι 140Wh / kg,&"Made in China 2025 GG", προτείνει σαφώς ότι η ενεργειακή πυκνότητα του οχήματος - οι συνδεδεμένες μπαταρίες ισχύος θα πρέπει να φτάσουν τα 300Wh / kg έως το 2020). Εάν ενσωματωθεί σε σύστημα μπαταρίας, η πυκνότητα ενέργειας μάζας θα μειωθεί κατά πέντε έως εξήντα τοις εκατό. Επιπλέον, τα θετικά και αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων αυτής της μπαταρίας ολο-γραφενίου δεν περιέχουν λίθιο, επομένως η ηλεκτροχημική προ-λιθίαση στο μισό στοιχείο πρέπει να πραγματοποιηθεί πριν από την αντιστοίχιση σε πλήρη μπαταρία. Κοιτάζοντας με αυτόν τον τρόπο, οι μπαταρίες γραφενίου μπορεί να είναι οι πρώτες που θα αναπτυχθούν σε σενάρια υψηλής ισχύος, αλλά η ενεργειακή τους πυκνότητα εξακολουθεί να απέχει πολύ από τις προσδοκίες των ανθρώπων&# 39.

Έτσι, θεωρητικά, μπορεί το γραφένιο να χρησιμοποιηθεί ως αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου για μπαταρίες όπως ο γραφίτης; Είναι ο μηχανισμός εισαγωγής λιθίου ίδιος με τον γραφίτη; Ποια είναι η θεωρητική του ικανότητα αποθήκευσης λιθίου; Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι επειδή το γραφένιο έχει δύο πλευρές που μπορούν να προσροφήσουν άτομα λιθίου, μπορεί να σχηματίσει μια διπλή φάση λιθίου Li2C6 και έχει διπλή ειδική χωρητικότητα 744 mAh / g. Υπάρχουν πολλές έρευνες για αυτά τα θέματα. Μερικοί ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει υπολογισμούς DFT για να διαπιστώσουν ότι τα άτομα λιθίου δεν μπορούν να προσροφηθούν άμεσα στην επιφάνεια του γραφενίου. Μπορούν να ενσωματωθούν μόνο μεταξύ στρωμάτων γραφενίου ή στο κέντρο του γραφενίου και του υποστρώματος μέσω άκρων ή ελαττωμάτων υψηλής τάξης. Σε αυτήν την περίπτωση λοιπόν, είναι η απενεργοποίηση ή η προσρόφηση, και πόσα άτομα Li μπορούν να αποθηκευτούν;

Γκρεμίστηκε

Σε απάντηση σε αυτό το πρόβλημα, ο Αναπληρωτής Καθηγητής Ji Kemeng του Πανεπιστημίου Tianjin ανέφερε την έρευνά του σχετικά με τον μηχανισμό παρεμβολής λιθίου του γραφενίου διπλής στιβάδας στο Nature Communications το 2019. Χρησιμοποίησαν μια μέθοδο εναπόθεσης χημικών ατμών υψηλής θερμοκρασίας για να προετοιμάσουν ένα γραφένιο διπλού στρώματος υλικό με υψηλή ειδική επιφάνεια. Αυτό το υλικό δεν χρειάζεται να συνδεθεί με το υπόστρωμα και έχει λίγα ελαττώματα, επομένως η επίδραση του υποστρώματος και τα ελαττώματα στην προσρόφηση ή την απενεργοποίηση των ιόντων λιθίου μπορούν να εξαλειφθούν, κάτι που είναι επωφελές για τη μελέτη του μηχανισμού απενεργοποίησης λιθίου στο το ίδιο το γραφένιο. Οι δοκιμές σταθερής ροής φόρτισης και οι κυκλικές καμπύλες βολταμετρίας δείχνουν ότι το γραφένιο διπλής στιβάδας έχει την ίδια αντίδραση μείωσης της ηλεκτροχημικής οξείδωσης με τα συμβατικά ηλεκτρόδια γραφίτη και τα ιόντα λιθίου απομακρύνονται μεταξύ των δύο φύλλων γραφενίου. Η απόσταση στρώματος γραφενίου είναι ο μόνος χώρος για αποθήκευση λιθίου και η ιδέα της απορρόφησης και αποθήκευσης λιθίου είναι αυτοκαταστροφική! Υπάρχει επίσης ένα αξιοσημείωτο φαινόμενο. Η μέγιστη χωρητικότητα διπλού στρώματος γραφενίου είναι μόνο 180 mAh / g στο τρέχον εύρος πυκνότητας 0,2-50 A / g. Ο επόμενος χαρακτηρισμός φάσης δείχνει ότι η στοιχειομετρική σύνθεση της φάσης αποθήκευσης λιθίου είναι LiC12 και Το LiC6 του ηλεκτροδίου μη γραφίτη δεν είναι η λεγόμενη φάση Li2C6 αποθήκευσης διπλού λιθίου.

Αυτό το ερευνητικό αποτέλεσμα δείχνει ότι το μοντέλο τομέα της Daumas-Hérold&# 39 είναι πιο κατάλληλο για την περιγραφή της συμπεριφοράς αποθήκευσης λιθίου των ηλεκτροδίων γραφίτη από το μοντέλο του Rüdorff&# 39 και έχει ολοκληρώσει τη συζήτηση του μισού αιώνα σχετικά με τον μηχανισμό αποθήκευσης λιθίου γραφίτης. Ταυτόχρονα, επιβεβαιώθηκε τελικά η θεωρητική ικανότητα αποθήκευσης λιθίου του γραφενίου και η θεωρητική χωρητικότητα των 180mAh / g είναι πολύ κατώτερη από την ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτροχημικού λιθίου της ανόδου του γραφίτη. Η φυσαλίδα μπαταρίας γραφενίου εκρήγνυται!

Ιχνηλασιμότητα

Λοιπόν, από πού προέρχεται η υψηλή χωρητικότητα του γραφενίου σε πολλά έγγραφα; Γνωρίζουμε ότι τα υλικά γραφενίου που συνήθως δημιουργούν οι άνθρωποι δεν είναι σχετικά καθαρά γραφένιο όπως τα παραπάνω. Πολλά από τα γραφένια που μπορούμε να πάρουμε είναι πλούσια σε ελαττώματα (συμπεριλαμβανομένων τόσο των εγγενών ελαττωμάτων κενών των υλικών άνθρακα όσο και των ελαττωμάτων που προκαλούνται από ειδικά εισαγόμενες τοποθεσίες ετεροάτομων) και η επιφάνεια είναι πλούσια σε μια ποικιλία λειτουργικών ομάδων (όπως καρβοξυλ, υδροξυλ, Αυτές οι ομάδες είναι εύκολο να αλληλεπιδρούν χημικά με το λίθιο, όπως οι εποξικές ομάδες). Η υπέρθεση αυτών των παραγόντων και η τεράστια ειδική επιφάνεια του ίδιου του γραφενίου θα προκαλέσει μεγάλο ποσοστό λιθίου να μην συμμετέχει στην ηλεκτροχημική αντίδραση με τη μορφή απενεργοποίησης, αλλά να συμβάλλει στην ψευδοκατασκευή με τη μορφή προσρόφησης. Αυτά τα φαινόμενα ψευδο-χωρητικότητας δείχνουν ότι η χωρητικότητα του γραφενίου είναι πολύ υψηλή και η ηλεκτροχημική κινητική είναι γρήγορη, αλλά αυτό έχει μικρή επίδραση στην αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας της πλήρους μπαταρίας. Επιπλέον, οι άφθονες θέσεις αντίδρασης και η υψηλή περιεκτικότητα σε ελαττώματα θα προκαλέσουν επίσης τη συνεχή κατανάλωση του περιορισμένου ενεργού λιθίου, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης της κολομβίας, η οποία είναι μοιραία για τη σταθερότητα χωρητικότητας της πλήρους μπαταρίας.

μελλοντικός

Μετά την παραπάνω ανάλυση, το γραφένιο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο για μπαταρίες είναι απελπιστικό εάν θέλει να εισέλθει σε χιλιάδες νοικοκυριά. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι το γραφένιο είναι άχρηστο στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας. Εκτός από την απόδοση αποθήκευσης λιθίου, το ίδιο το γραφένιο έχει επίσης εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα. Οι δύο παράγοντες της ηλεκτρικής ενέργειας και της θερμότητας παίζουν καθοριστικό ρόλο στις πραγματικές μπαταρίες. Ειδικά τα ατυχήματα θερμότητας και ασφάλειας της μπαταρίας που προκαλούνται από τη θερμική διαφυγή μπορούν ακόμη και να αρνηθούν βέτο σε πολλά υλικά ηλεκτροδίων με εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση. Εάν τα πλεονεκτήματα τόσο της ηλεκτρικής όσο και της θερμικής αγωγιμότητας εφαρμόζονται στην μπαταρία, το&«μπαταρία γραφενίου GG»; μπορεί επίσης να λάμψει.

Φυσικά, ως ένα είδος μαγικού υλικού, το γραφένιο δεν ξέρει αν θα φέρει μια νέα επανάσταση στην μπαταρία με άλλους τρόπους; Όπως και οι πρόσφατες αναφορές μέσων από άγνωστες πηγές, η Mercedes-Benz αναπτύσσει μια οργανική μπαταρία με βάση το γραφένιο. Η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν έχει ακόμη αποκαλυφθεί. Τέλος πάντων, θα είναι τουλάχιστον 10 χρόνια αργότερα. Είτε πρόκειται για μια νέα επανάσταση είτε για μια νέα φούσκα, θα περιμένουμε και θα δούμε!

Εν ολίγοις, το πεδίο της αποθήκευσης ενέργειας, που στοχεύει στην πρακτικότητα, δεν είναι&«κυνηγώντας αστέρια GG»; Το θεωρητικά εφικτό αρνητικό ηλεκτρόδιο γραφενίου απαιτεί πολύ σκληρές συνθήκες (τέλειο γραφένιο). Στην πραγματική παραγωγή, είναι απαραίτητο να πληρώσουμε μια τιμή υψηλού κόστους, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την αρχική πρόθεση της αύξησης της ενεργειακής πυκνότητας και της μείωσης του κόστους παραγωγής. Επιπλέον, η θεωρητική σκοπιμότητα αποδείχθηκε τελικά ότι δεν ήταν εφικτή. Την επόμενη φορά θα υπάρξει διαφημιστική εκστρατεία σχετικά με το&«μπαταρία γραφενίου GG», πρέπει να κρατήσετε τα μάτια σας ανοιχτά για να δείτε καθαρά