Grafenbatterier: En myt eller en bubbla?

Utmaningar för litiumjonbatterier

Under de senaste två decennierna sedan tillkomsten av litiumjonbatterier har vår värld och vårt liv lett till jordskakande förändringar. De höga specifika energi- och högeffektskraven för energilagringsenheter såsom elektronisk konsumentutrustning och elfordon har gjort de befintliga litiumjonbatterierna" betonade" ;. Innovationen inom batteriteknik har fallit långt efter uppgraderingen av elektronisk utrustning och har blivit en begränsning för användarupplevelsen. Den största flaskhalsen.

Traditionella litiumjonbatterier är baserade på överföringen av aktiva litiumjoner mellan de positiva och negativa materialen för att uppnå omvandlingen av kemisk energi och elektrisk energi. Det är dock just denna elektrokemiska mekanism för insättning och extraktion som gör att litiumjonbatteriernas kapacitet och energitäthet i allt högre grad inte kan tillgodose behoven i applikationsscenarier. När det gäller negativa elektrodmaterial använder de negativa elektrodmaterialen i kommersiella litiumjonbatterier som representeras av grafit litiumjoner för att avinterkalera mellan grafitskikten för att fungera. Emellertid är platserna för litium i grafit och mellanlagret mellan grafit i sig mycket begränsade, vilket tvingar litiumjonbatterier att möta dilemmaet med otillräcklig kapacitet och låg specifik energi.

Grafenbatteri: släckt

I en tid då människor är förlorade har en ny typ av stjärnkolmaterial-grafen kommit ut! Grafen kan betraktas som en enkelskiktsgrafit, som har rikliga litiuminterkaleringsställen och har ultrahög elektronisk ledningsförmåga och en enorm specifik yta. På så sätt kan grafen ersätta grafit för att detonera en revolution inom energilagringsindustrin? Med hög kapacitet, hög energitäthet och snabb laddning, don' t dessa" Peach Blossom Springs" att människor har strävat efter att bli verklighet? ! Olika medier har också börjat rapportera om fördelarna med grafenbatterier och göra motsvarande hype. Under en tid har grafenbatterierelaterade konceptbestånd blivit populära. Hela batteriindustrin verkar ha blivit slagen. Alla ser fram emot grafenbatterier. Tidens ankomst.

Men är detta verkligen fallet? Följande innehåll är främst ur vetenskaplig synvinkel för att avslöja slöjan av det mystiska grafenbatteriet för alla (Obs: Grafenbatteriet har ännu inte ett tydligt koncept, enligt grafens roll kan grovt delas in i grafen som en ledande tillsats och grafit Det finns två typer av en som det negativa elektrodmaterialet. Denna artikel diskuterar grafen som batteriets negativa elektrodmaterial).

ursprung

År 2014 rapporterade Scientific Report ett arbete med litiumbatterier med helt grafen. I detta helgrafenbatteri är den positiva elektroden ytfunktionellt grafenmaterial och den negativa elektroden reduceras grafenoxid. Hela batteriet använder ytreaktionen på de positiva och negativa elektroderna, så det kan uppnå laddning och urladdning med hög hastighet. Effektdensiteten beräknad baserat på den totala elektrodmassan kan nå 2150W / kg.

Ur effekttäthetssynpunkt är batteriet verkligen lovande, men när vi tittar på energitätheten igen kan vi upptäcka att energitätheten beräknad baserat på massan av de två elektroderna bara är 130Wh / kg, vilket bara är kapabel för att nå det befintliga litiumjonbatteriet baserat på beräkningen av systemmassan (Systemets energitäthet för det nyligen populära BYD-bladbatteriet är 140Wh / kg;" Made in China 2025" föreslår tydligt att fordonets enda energitäthet -monterade elbatterier ska nå 300Wh / kg fram till 2020). Om den integreras i ett batterisystem kommer dess massenergidensitet att diskonteras med ytterligare fem till sextio procent. Dessutom innehåller de positiva och negativa elektrodmaterialen i detta grafenbatteri inte litium, så elektrokemisk förlitering i halvcellen måste utföras innan det matchas till ett fullt batteri. Om man ser på det här kan grafenbatterier vara de första som utvecklas i högeffektsscenarier, men deras energitäthet är fortfarande långt ifrån människors&# 39: s förväntningar.

Så i teorin, kan grafen användas som ett negativt elektrodmaterial för batterier som grafit? Är mekanismen för litiuminsättning densamma som grafit? Vad är den teoretiska lagringskapaciteten för litium? Många forskare tror att eftersom grafen har två sidor som kan adsorbera litiumatomer kan det bilda en dubbel litiumfas av Li2C6 och har en dubbel specifik kapacitet på 744 mAh / g. Det finns många undersökningar om dessa frågor. Vissa forskare har använt DFT-beräkningar för att upptäcka att litiumatomer inte kan adsorberas direkt på ytan av grafen. De kan bara inbäddas mellan grafenskikt eller i mitten av grafen och substrat genom kanter eller högordensfel. Så i det här fallet är det deinterkalering eller adsorption, och hur många Li-atomer kan lagras?

Krossade

Som svar på detta problem rapporterade docent Ji Kemeng från Tianjin University sin forskning om litiuminterkaleringsmekanismen för dubbelskiktsgrafen i Nature Communications 2019. De använde en kemisk ångavsättningsmetod med hög temperatur för att förbereda en dubbelskiktsgrafen material med en hög specifik yta. Detta material behöver inte fästas på substratet och har få defekter, så påverkan av substratet och defekter på adsorptionen eller deinterkalering av litiumjoner kan elimineras, vilket är fördelaktigt för studiet av mekanismen för avinterkalering av litium i grafen själv. Konstantströmsladdnings-urladdningstest och cykliska voltammetrykurvor visar att dubbelskiktsgrafen har samma elektrokemiska oxidationsreduktionsreaktion som konventionella grafitelektroder, och litiumjoner avinterkaleras mellan de två grafenarken. Mellanrummet för grafenlager är det enda utrymmet för litiumlagring, och tanken på att absorbera och lagra litium är självdödande! Det finns också ett anmärkningsvärt fenomen. Den maximala kapaciteten för dubbelskiktsgrafen är endast 180 mAh / g i strömtäthetsområdet 0,2-50 A / g. Den efterföljande faskarakteriseringen visar att den stökiometriska sammansättningen av litiumlagringsfasen är LiC12 och LiC6 för den icke-grafitelektroden är inte den så kallade dubbla litiumlagrings Li2C6-fasen.

Detta forskningsresultat visar att Daumas-Hérold' s domänmodell är mer lämplig för att beskriva litiumlagringsbeteendet hos grafitelektroder än Rüdorff' s modell, och har avslutat halva århundradets debatt om grafit. Samtidigt har den teoretiska litiumlagringskapaciteten för grafen äntligen bekräftats, och den teoretiska kapaciteten på 180 mAh / g är mycket sämre än den elektrokemiska litiumlagringskapaciteten för grafitanoden. Grafenbatteribubben spränger sig själv!

Spårbarhet

Så var kommer den höga kapaciteten av grafen som rapporteras i många dokument ifrån? Vi vet att grafenmaterialet som människor brukar göra inte är relativt rent grafen som ovan. Många av de grafener vi kan få är rika på defekter (inklusive både de inneboende vakansdefekterna av kolmaterial och de defekter som orsakas av speciellt införda heteroatomställen), och ytan är rik på en mängd olika funktionella grupper (såsom karboxyl, hydroxyl Dessa grupper är lätta att interagera kemiskt med litium, såsom epoxigrupper). Överläggningen av dessa faktorer och den enorma specifika ytan av själva grafen kommer att leda till att en stor mängd litium inte deltar i den elektrokemiska reaktionen i form av avinterkalering utan bidrar till pseudokapaciteten i form av adsorption. Dessa pseudokapacitetseffekter gör att det verkar som om grafenkapaciteten är mycket hög och den elektrokemiska kinetiken är snabb, men detta har liten effekt på ökningen av energitätheten för hela batteriet. Dessutom kommer de rikliga reaktionsställena och det höga defektinnehållet att orsaka att det begränsade aktiva litiumet konsumeras kontinuerligt, vilket resulterar i en minskning av den coulombiska effektiviteten, vilket är dödligt för kapacitetsstabiliteten hos hela batteriet.

framtida

Efter ovanstående analys är grafen som ett negativt elektrodmaterial för batterier hopplöst om det vill komma in i tusentals hushåll. Detta betyder dock inte att grafen är värdelös inom energilagring. Förutom prestanda för lagring av litium har grafen i sig också ultrahög elektrisk konduktivitet och utmärkt värmeledningsförmåga. De två faktorerna el och värme spelar en central roll i faktiska batterier. Särskilt värme, olyckor med batterisäkerhet som orsakas av termisk utsläpp kan till och med lägga veto mot många elektrodmaterial med utmärkt elektrokemisk prestanda. Om fördelarna med både elektrisk och värmeledningsförmåga tillämpas på batteriet, är" grafenbatteri" kan också lysa.

Naturligtvis, som ett slags magiskt material, vet grafen inte om det kommer att ge en ny revolution till batteriet på andra sätt? Precis som de senaste mediarapporterna från okända källor utvecklar Mercedes-Benz ett grafenbaserat organiskt batteri. Den specifika tekniken har ännu inte avslöjats. Hur som helst kommer det att vara minst tio år senare. Oavsett om det är en ny revolution eller en ny bubbla, vi väntar och ser!

Kort sagt, fältet för energilagring, som syftar till praktisk, är inte" jagar stjärnor" ;. Den teoretiskt genomförbara grafen-negativa elektroden kräver alltför hårda förhållanden (perfekt grafen). I verklig produktion är det nödvändigt att betala ett högt kostnadspris, vilket strider mot den ursprungliga avsikten att öka energitätheten och minska produktionskostnaderna. Vad&# 39 är mer har den teoretiska genomförbarheten äntligen visat sig vara omöjlig. Nästa gång det kommer att finnas mediahype om" grafenbatteri" ;, måste du hålla ögonen öppna för att se tydligt