Bateri Graphene: Mitos Atau Gelembung?

Cabaran menghadapi bateri lithium-ion

Selama dua dekad yang lalu sejak munculnya bateri lithium-ion, dunia dan kehidupan kita telah membawa perubahan yang mengejutkan. Keperluan tenaga khas dan tenaga tinggi yang tinggi bagi peranti penyimpanan tenaga seperti peralatan elektronik pengguna dan kenderaan elektrik telah menjadikan bateri lithium-ion yang ada GG; tegas GG; Inovasi teknologi bateri jauh ketinggalan dari peningkatan peralatan elektronik dan menjadi kekangan pada pengalaman pengguna. Masalah terbesar.

Bateri lithium-ion tradisional didasarkan pada pertukaran ion litium aktif antara bahan positif dan negatif untuk mencapai penukaran tenaga kimia dan tenaga elektrik. Walau bagaimanapun, justru mekanisme penyisipan dan pengekstrakan elektrokimia inilah yang menjadikan kapasiti dan ketumpatan tenaga bateri ion lithium semakin tidak dapat memenuhi keperluan senario aplikasi. Dari segi bahan elektrod negatif, bahan elektrod negatif bateri lithium-ion komersial yang diwakili oleh grafit menggunakan ion litium untuk menyekat antara lapisan grafit untuk berfungsi. Walau bagaimanapun, tapak litium dalam grafit dan jarak antara lapisan grafit itu sendiri sangat terhad, yang memaksa bateri lithium-ion menghadapi dilema kapasiti yang tidak mencukupi dan tenaga khusus yang rendah.

Bateri Graphene: mati

Pada masa orang kehilangan, jenis bahan karbon-bintang baru-graphene telah keluar! Graphene dapat dianggap sebagai grafit lapisan tunggal, yang mempunyai banyak laman interkalasi litium, dan mempunyai kekonduksian elektronik yang sangat tinggi dan luas permukaan tertentu. Dengan cara ini, dapatkah graphene menggantikan grafit untuk meletupkan revolusi dalam industri penyimpanan tenaga? Dengan kapasiti tinggi, ketumpatan tenaga tinggi, dan pengecasan pantas, jangan' t&ini; Peach Blossom Springs" bahawa orang telah mengejar secara langsung menjadi kenyataan? ! Berbagai media juga mulai melaporkan kelebihan bateri graphene dan membuat gembar-gembur yang sesuai. Untuk sementara waktu, stok konsep berkaitan bateri graphene telah menjadi popular. Keseluruhan industri bateri nampaknya telah dipukul. Semua orang menantikan bateri graphene. Kedatangan zaman.

Namun, adakah ini benar-benar berlaku? Kandungan berikut terutamanya dari sudut pandang ilmiah untuk membongkar tudung bateri graphene yang misterius untuk semua orang (Catatan: Bateri graphene belum mempunyai konsep yang jelas, mengikut peranan graphene dapat dibahagikan secara kasar kepada graphene sebagai bahan tambahan konduktif dan grafit Terdapat dua jenis ene sebagai bahan elektrod negatif. Artikel ini membincangkan graphene sebagai bahan elektrod negatif bateri).

asal

Pada tahun 2014, Laporan Saintifik melaporkan karya pada bateri lithium semua-graphene. Dalam bateri all-graphene ini, elektrod positif adalah bahan graphene yang difungsikan permukaan, dan elektrod negatif dikurangkan graphene oksida. Seluruh bateri menggunakan reaksi permukaan elektrod positif dan negatif, sehingga dapat mencapai cas dan pelepasan kadar yang sangat tinggi. Ketumpatan daya yang dikira berdasarkan jisim elektrod keseluruhan boleh mencapai 2150W / kg.

Dari sudut ketumpatan kuasa, bateri memang menjanjikan, tetapi apabila kita melihat ketumpatan tenaga sekali lagi, kita dapati bahawa ketumpatan tenaga yang dikira berdasarkan jisim kedua elektrod hanya 130Wh / kg, yang hanya mampu untuk mencapai bateri lithium-ion yang ada berdasarkan pengiraan jisim sistem (Ketumpatan tenaga sistem bateri bilah BYD yang popular baru-baru ini ialah 140Wh / kg;" Buatan China 2025" dengan jelas mencadangkan agar ketumpatan tenaga tunggal kenderaan -Bateri kuasa terpasang harus mencapai 300Wh / kg menjelang 2020) Sekiranya ia disatukan ke dalam sistem bateri, ketumpatan tenaga jisimnya akan dikurangkan sebanyak lima hingga enam puluh peratus lagi. Lebih-lebih lagi, bahan elektrod positif dan negatif dari bateri semua-graphene ini tidak mengandungi litium, jadi pra-lithiation elektrokimia dalam sel separuh mesti dilakukan sebelum dipadankan dengan bateri penuh. Melihatnya dengan cara ini, bateri graphene mungkin yang pertama dikembangkan dalam senario kuasa tinggi, tetapi ketumpatan tenaganya masih jauh dari harapan orang&# 39.

Jadi secara teori, bolehkah graphene digunakan sebagai bahan elektrod negatif untuk bateri seperti grafit? Adakah mekanisme penyisipan litium sama dengan grafit? Berapakah kapasiti penyimpanan litium teorinya? Ramai penyelidik percaya bahawa kerana graphene mempunyai dua sisi yang dapat menyerap atom litium, ia dapat membentuk fasa lithium ganda Li2C6 dan mempunyai kapasiti spesifik ganda 744 mAh / g. Terdapat banyak penyelidikan mengenai isu-isu ini. Beberapa penyelidik telah menggunakan pengiraan DFT untuk mengetahui bahawa atom litium tidak dapat diserap secara langsung pada permukaan graphene. Mereka hanya dapat disisipkan di antara lapisan graphene atau ke tengah graphene dan substrat melalui tepi atau kecacatan pesanan tinggi. Jadi dalam kes ini, adakah penyahterasan atau penjerapan, dan berapa banyak atom Li yang dapat disimpan?

Hancur

Sebagai tindak balas kepada masalah ini, Profesor Madya Ji Kemeng dari Universiti Tianjin melaporkan penyelidikannya mengenai mekanisme interkalasi litium graphene lapisan dua dalam Nature Communications pada tahun 2019. Mereka menggunakan kaedah pemendapan wap kimia beralih suhu tinggi untuk menyiapkan graphene lapisan dua bahan dengan permukaan tertentu yang tinggi. Bahan ini tidak perlu dilekatkan pada substrat dan mempunyai sedikit kecacatan, oleh itu pengaruh substrat dan kecacatan pada penjerapan atau penyahterasan ion litium dapat dihilangkan, yang bermanfaat bagi kajian mekanisme penyahterasan litium dalam graphene itu sendiri. Ujian pelepasan cas arus berterusan dan lengkung voltammetri siklik menunjukkan bahawa graphene lapisan dua mempunyai tindak balas pengurangan pengoksidaan elektrokimia yang sama dengan elektrod grafit konvensional, dan ion litium dihilangkan antara kedua-dua kepingan grafik. Jarak lapisan graphene adalah satu-satunya ruang untuk penyimpanan litium, dan idea untuk menyerap dan menyimpan litium adalah mengalahkan diri sendiri! Terdapat juga fenomena yang patut diperhatikan. Kapasiti maksimum graphene lapisan dua hanya 180 mAh / g dalam julat ketumpatan semasa 0.2-50 A / g. Pencirian fasa seterusnya menunjukkan bahawa komposisi stoikiometrik fasa penyimpanan litium adalah LiC12 dan LiC6 dari elektrod bukan grafit bukan yang disebut fasa Li2C6 penyimpanan litium dwi.

Hasil penyelidikan ini menunjukkan bahawa model domain Daumas-Hérold&# 39 lebih sesuai untuk menggambarkan tingkah laku penyimpanan lithium elektrod grafit daripada model Rüdorff' dan telah mengakhiri perbahasan setengah abad mengenai mekanisme penyimpanan litium grafit. Pada masa yang sama, kapasiti penyimpanan litium teoritis graphene akhirnya disahkan, dan kapasiti teoritis 180mAh / g jauh lebih rendah daripada kapasiti penyimpanan litium elektrokimia anod grafit. Gelembung bateri graphene meletup sendiri!

Kebolehkesanan

Oleh itu, dari mana kapasiti tinggi graphene yang dilaporkan dalam banyak dokumen berasal? Kita tahu bahawa bahan graphene yang biasanya dibuat orang bukan graphene yang agak tulen seperti di atas. Banyak grafen yang kita dapat kaya dengan kecacatan (termasuk kedua-dua kekurangan kekosongan intrinsik bahan karbon dan kecacatan yang disebabkan oleh laman web heteroatom yang diperkenalkan khas), dan permukaannya kaya dengan pelbagai kumpulan berfungsi (seperti karboksil, hidroksil, Kumpulan ini mudah berinteraksi secara kimia dengan litium, seperti kumpulan epoksi). Keunggulan faktor-faktor ini dan luas permukaan tertentu dari graphene itu sendiri akan menyebabkan sejumlah besar litium tidak mengambil bahagian dalam tindak balas elektrokimia dalam bentuk deinterkalasi, tetapi menyumbang kepada pseudocapacitance dalam bentuk penjerapan. Kesan pseudocapacitance ini menunjukkan bahawa kapasiti graphene sangat tinggi dan kinetika elektrokimia cepat, tetapi ini tidak banyak mempengaruhi peningkatan ketumpatan tenaga bateri penuh. Lebih-lebih lagi, laman reaksi yang banyak dan kandungan kecacatan yang tinggi juga akan menyebabkan litium aktif yang terhad terus dimakan, mengakibatkan penurunan kecekapan coulombic, yang membawa maut kepada kestabilan kapasiti bateri penuh.

masa depan

Selepas analisis di atas, graphene sebagai bahan elektrod negatif untuk bateri tidak ada harapan sekiranya ingin memasuki ribuan isi rumah. Walau bagaimanapun, ini tidak bermaksud bahawa graphene tidak berguna dalam bidang penyimpanan tenaga. Sebagai tambahan kepada prestasi penyimpanan litium, graphene sendiri juga mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat tinggi dan kekonduksian terma yang sangat baik. Kedua-dua faktor elektrik dan haba memainkan peranan penting dalam bateri sebenar. Terutama panas, kemalangan keselamatan bateri yang disebabkan oleh pelarian terma bahkan dapat memveto banyak bahan elektrod dengan prestasi elektrokimia yang sangat baik. Sekiranya kelebihan kedua-dua kekonduksian elektrik dan terma digunakan pada bateri," graphene battery" mungkin juga bersinar.

Sudah tentu, sebagai sejenis bahan ajaib, graphene tidak tahu sama ada ia akan membawa revolusi baru kepada bateri dengan cara lain? Sama seperti laporan media baru-baru ini dari sumber yang tidak diketahui, Mercedes-Benz sedang mengembangkan bateri organik berasaskan graphene. Teknologi khusus belum didedahkan. Bagaimanapun, sekurang-kurangnya 10 tahun kemudian. Sama ada revolusi baru atau gelembung baru, kita akan menunggu dan melihat!

Ringkasnya, bidang penyimpanan tenaga, yang bertujuan untuk kepraktisan, bukan" mengejar bintang" ;. Elektrod negatif graphene yang mungkin secara teori memerlukan keadaan yang terlalu keras (graphene sempurna). Dalam pengeluaran sebenar, perlu membayar harga kos tinggi, yang bertentangan dengan niat asal untuk meningkatkan kepadatan tenaga dan mengurangkan kos pengeluaran. Lebih-lebih lagi, kemungkinan teori akhirnya terbukti tidak dapat dilaksanakan. Lain kali akan ada gembar-gembur media mengenai&"; bateri graphene GG";, anda mesti terus membuka mata untuk melihat dengan jelas