Grafeeni patareid: müüt või mull?

Liitiumioonakude ees seisvad väljakutsed

Viimase kahe aastakümne jooksul pärast liitium-ioonakude ilmumist on meie maailm ja elu toonud maa raputavaid muutusi. Selliste energiasalvestusseadmete nagu tarbeelektroonikaseadmed ja elektrisõidukid kõrge spetsiifilise energia ja suure võimsusega töönõuded on muutnud olemasolevad liitiumioonakud&"rõhutatuks GG". Akutehnoloogia uuendus on elektroonikaseadmete uuendamisest palju maha jäänud ja muutunud kasutajakogemuse piiranguks. Suurim kitsaskoht.

Traditsioonilised liitiumioonakud põhinevad aktiivsete liitiumioonide süstikul positiivsete ja negatiivsete materjalide vahel, et saavutada keemilise energia ja elektrienergia muundamine. Kuid just see elektrokeemiline sisestamise ja väljatõmbamise mehhanism muudab liitiumioonakude võimsuse ja energiatiheduse üha enam rakendamisstsenaariumide vajadustele vastavaks. Negatiivsete elektroodimaterjalide osas kasutavad kommertsliitiumi ioonpatareide negatiivsed elektroodimaterjalid, mida kujutab grafiit, liitiumioonide abil deinterkaliseerimiseks grafiitkihtide vahel. Kuid liitiumi leiukohad grafiidis ja grafiidi enda kihtide vaheline kaugus on väga piiratud, mis sunnib liitiumioonakusid seisma ebapiisava võimsuse ja madala spetsiifilise energia dilemma ees.

Grafeeni aku: osutus

Ajal, mil inimesed on kahjumis, on välja tulnud uut tüüpi tähesüsinikust materjal - grafeen! Grafeeni võib pidada ühekihiliseks grafiidiks, millel on rohkesti liitiumiga interkalatsioonikohti ning millel on ülimalt kõrge elektrooniline juhtivus ja tohutu eripind. Kas grafeen võib sel viisil asendada grafiiti, et plahvatada revolutsioon energiasalvestuses? Suure võimsuse, suure energiatiheduse ja kiire laadimise korral ärge' t neid GG; Peach Blossom Springs GG; et inimesed on otseselt jälitanud, saavad reaalsuseks? ! Erinevad meediumid on hakanud kajastama ka grafeenpatareide eeliseid ja tegema vastavat hype. Mõneks ajaks on grafeeni akudega seotud kontseptsioonivarud muutunud populaarseks. Tundub, et kogu akutööstus on peksa saanud. Kõik ootavad grafeeni patareisid. Aegade saabumine.

Kuid kas see on tõesti nii? Järgmine sisu on peamiselt teaduslikust küljest, et paljastada saladusliku grafeeniaku loor kõigile (märkus: grafeeni akul pole veel selget kontseptsiooni, vastavalt grafeeni rollile võib grafeeni kui juhtiva lisandina jagada ligikaudu ja grafiit Negatiivse elektroodi materjalina on kahte tüüpi ene. Selles artiklis käsitletakse grafeeni kui aku negatiivse elektroodi materjali).

päritolu

2014. aastal teatati teaduslikus aruandes tööd grafeen-liitiumpatareidega. Selles üligrafeenpatareis on positiivne elektrood pindfunktsionaliseeritud grafeenimaterjal ja negatiivne elektrood on redutseeritud grafeenoksiid. Kogu aku kasutab positiivsete ja negatiivsete elektroodide pinna reaktsiooni, nii et see võib saavutada ülikiire laadimise ja tühjenemise. Elektroodi üldmassi põhjal arvutatud võimsustihedus võib ulatuda 2150 W / kg.

Võimsustiheduse seisukohast on aku tõepoolest paljulubav, kuid kui vaatame uuesti energiatihedust, võime leida, et kahe elektroodi massi põhjal arvutatud energiatihedus on ainult 130Wh / kg, mis on lihtsalt võimeline olemasoleva liitiumioonaku saavutamiseks süsteemi massi arvutamise põhjal (hiljuti populaarse BYD tera aku süsteemi energiatihedus on 140Wh / kg;" Made in China 2025" teeb selgelt ettepaneku, et sõiduki üks energiatihedus - paigaldatud toitepatareid peaksid aastaks 2020 jõudma 300Wh / kg) Kui see on integreeritud akusüsteemi, vähendatakse selle massienergia tihedust veel viis kuni kuuskümmend protsenti. Veelgi enam, selle grafeenpatarei positiivsed ja negatiivsed elektroodimaterjalid ei sisalda liitiumit, mistõttu enne täisakuks sobitamist tuleb poolelemendis läbi viia elektrokeemiline eelliitimine. Niimoodi vaadates võivad grafeenpatareid olla esimesed, mis arenevad suure võimsusega stsenaariumide korral, kuid nende energiatihedus ei ole siiski kaugeltki inimeste ootustest.

Nii et kas teoreetiliselt saab grafeeni kasutada negatiivsete elektroodide materjalina selliste patareide jaoks nagu grafiit? Kas liitiumiga sisestamise mehhanism on sama mis grafiidil? Kui suur on selle teoreetiline liitiumihoidla maht? Paljud teadlased usuvad, et kuna grafeenil on kaks külge, mis suudavad liitiumi aatomeid adsorbeerida, võib see moodustada Li2C6 kahekordse liitiumfaasi ja selle topelt erivõimsus on 744 mAh / g. Nendel teemadel on palju uuringuid. Mõned teadlased on DFT arvutuste abil leidnud, et liitiumiaatomeid ei saa grafeeni pinnale otseselt adsorbeerida. Neid saab kinnitada ainult grafeenikihtide vahele või grafeeni ja substraadi keskele läbi servade või kõrgetasemeliste defektide. Kas antud juhul on see deinterkalatsioon või adsorptsioon ja mitu Li aatomit saab säilitada?

Purustatud

Sellele probleemile reageerides teatas Tianjini ülikooli dotsent Ji Kemeng oma uuringutest kahekihilise grafeeni liitium-interkalatsioonimehhanismi kohta Nature Communications'is 2019. aastal. Nad kasutasid kahekihilise grafeeni valmistamiseks kõrgel temperatuuril lülitatavat keemilise auru sadestamise meetodit. kõrge eripinnaga materjal. Seda materjali ei ole vaja substraadi külge kinnitada ja sellel on vähe defekte, mistõttu on võimalik substraadi ja defektide mõju liitiumioonide adsorptsioonile või deinterskalatsioonile kõrvaldada, mis on kasulik liitiumi deinterkalatsiooni mehhanismi uurimiseks grafeen ise. Konstantse voolu laengu tühjenemise testid ja tsüklilise voltammeetria kõverad näitavad, et kahekihilisel grafeenil on sama elektrokeemiline oksüdatsiooni-redutseerimise reaktsioon kui tavalistel grafiitelektroodidel ja liitiumioonid deinterkaalitakse kahe grafeenilehe vahel. Grafeenikihi vahekaugus on ainus liitiumihoidla ruum ning liitiumi neelamise ja säilitamise idee on iseenesestmõistetav! On ka märkimisväärne nähtus. Kahekihilise grafeeni maksimaalne võimsus on praeguse tiheduse vahemikus 0,2-50 A / g ainult 180 mAh / g. Järgnev faaside iseloomustus näitab, et liitiumhoiustamisfaasi stöhhiomeetriline koostis on LiC12 ja mitte-grafiitelektroodi LiC6 ei ole nn kahekordse liitiumihoidla Li2C6 faas.

See uurimistulemus näitab, et Daumas-Hérold' domeenimudel sobib paremini grafiitelektroodide liitiumvarustuskäitumise kirjeldamiseks kui Rüdorff' mudel ja on lõpetanud poolesaja aasta pikkuse arutelu grafiit. Samal ajal on grafeeni teoreetiline liitiumvarustusvõime lõplikult kinnitatud ja teoreetiline maht 180mAh / g on palju madalam grafiitanoodi elektrokeemilisest liitiumihoidla mahust. Grafeeni akumull lõhkeb ise!

Jälgitavus

Niisiis, kust tuleb paljudes dokumentides kirjeldatud grafeeni suur maht? Me teame, et grafeenimaterjalid, mida inimesed tavaliselt teevad, ei ole suhteliselt puhas grafeen, nagu ülaltoodud. Paljud grafeenid, mida me saame, on rikkad rikkalikult (sealhulgas nii süsinikmaterjalide sisemised vakantsuse defektid kui ka spetsiaalselt sisestatud heteroaatomikohtade põhjustatud defektid) ning pind on rikas mitmesuguste funktsionaalsete rühmade (näiteks karboksüül, hüdroksüül, Neid rühmi on liitiumiga, näiteks epoksürühmadega, keemiliselt lihtne suhelda. Nende tegurite superpositsioon ja grafeeni enda tohutu spetsiifiline pindala põhjustab selle, et suur liitiumikogus ei osale elektrokeemilises reaktsioonis deinterskalatsiooni vormis, vaid aitab kaasa pseudokapatsionaalsusele adsorptsiooni kujul. Need pseudokapatsionaalsuse efektid näivad, et grafeeni maht on väga suur ja elektrokeemiline kineetika on kiire, kuid see ei avalda täieliku aku energiatiheduse suurenemisele suurt mõju. Lisaks põhjustavad rikkalikud reaktsioonikohad ja kõrge defektisisaldus piiratud aktiivse liitiumisisalduse pidevat tarbimist, mille tulemuseks on kulonbi efektiivsuse langus, mis on surmav kogu aku võimsuse stabiilsusele.

tulevik

Pärast ülaltoodud analüüsi on grafeen kui akude negatiivse elektroodi materjal lootusetu, kui see soovib siseneda tuhandetesse leibkondadesse. Kuid see ei tähenda, et grafeen oleks energia salvestamise valdkonnas kasutu. Lisaks liitiumisalvestusomadustele on grafeenil endal ka ülikõrge elektrijuhtivus ja suurepärane soojusjuhtivus. Elektri ja soojuse kahel teguril on tegelikel patareidel keskne roll. Eriti termilise põgenemise põhjustatud kuumuse ja akude ohutusega seotud õnnetused võivad isegi vetodeerida paljudele suurepärase elektrokeemilise toimivusega elektroodimaterjalidele. Kui akule rakendatakse nii elektri- kui ka soojusjuhtivuse eeliseid, on GG; grafeenaku&"; võib ka särada.

Muidugi ei tea grafeen omamoodi maagilise materjalina, kas see toob akule uue pöörde ka muul viisil? Nii nagu hiljutised meediumiteated teadmata allikatest, arendab Mercedes-Benz grafeenil põhinevat orgaanilist akut. Konkreetset tehnoloogiat pole veel avalikustatud. Igatahes on see vähemalt 10 aastat hiljem. Olgu see uus revolutsioon või uus mull, ootame ja vaatame!

Lühidalt öeldes ei ole energiasalvestuse valdkond, mille eesmärk on praktilisus," tähtede jälitamine" ;. Teoreetiliselt teostatav grafeen-negatiivne elektrood nõuab liiga karmid tingimused (ideaalne grafeen). Tegelikus tootmises on vaja maksta kõrget omahinda, mis on vastuolus algse kavatsusega suurendada energiatihedust ja vähendada tootmiskulusid. Mis veel' s, on teoreetiline teostatavus lõpuks osutunud teostamatuks. Järgmine kord tekib meediakära GG-ga seoses; grafeeni aku" ;, peate selgelt nägemiseks silmad lahti hoidma