Grafeeniparistot: myytti vai kupla?

Litiumioniakkuihin kohdistuvat haasteet

Kahden viime vuosikymmenen aikana litium-ioniakkujen tulemisesta maailma ja elämämme ovat tuoneet maanjäristyksiä. Energian varastointilaitteiden, kuten kulutuselektroniikkalaitteiden ja sähköajoneuvojen, korkeat ominaisenergia- ja suuritehoiset työvaatimukset ovat tehneet nykyisistä litiumioniakuista GG; korosti GG. Akkuteknologian innovaatio on jäänyt huomattavasti jälkeen elektroniikkalaitteiden päivityksestä ja siitä on tullut käyttäjäkokemuksen rajoitus. Suurin pullonkaula.

Perinteiset litiumioniakut perustuvat aktiivisten litiumionien siirtoon positiivisten ja negatiivisten materiaalien välillä kemiallisen energian ja sähköenergian muuntamiseksi. Kuitenkin juuri tämä sähkökemiallinen lisäys- ja uuttomekanismi tekee litium-ioniakkujen kapasiteetista ja energiatiheydestä yhä kyvyttömämmän vastaamaan käyttötilanteiden tarpeisiin. Negatiivisten elektrodimateriaalien suhteen kaupallisten litium-ioniakkujen negatiiviset elektrodimateriaalit, joita grafiitti edustaa, käyttävät litiumioneja deinterkaaliksi grafiittikerrosten välillä toimiakseen. Litiumpaikat grafiitissa ja itse grafiitin välikerrokset ovat kuitenkin hyvin rajalliset, mikä pakottaa litium-ioniakut kohtaamaan ongelman, joka on riittämätön kapasiteetti ja alhainen ominaisenergia.

Grafeeniparisto: käynyt

Aikana, jolloin ihmiset ovat tappiolla, on tullut uudentyyppinen tähtihiilimateriaali-grafeeni! Grafeenia voidaan pitää yksikerroksisena grafiittina, jolla on runsaasti litiumin interkalointikohteita, ja jolla on erittäin korkea elektroninen johtavuus ja valtava ominaispinta-ala. Voisiko grafeeni tällä tavoin korvata grafiitin räjäyttääkseen vallankumouksen energian varastointialalla? Suurella kapasiteetilla, suurella energiatiheydellä ja nopealla latauksella, älä' t näitä GG: tä; Peach Blossom Springs GG: tä; että ihmiset ovat etsineet suoraan todellisuutta? ! Erilaiset tiedotusvälineet ovat myös alkaneet raportoida grafeeniparistojen eduista ja tehdä vastaavia hypejä. Grafeeniparistoihin liittyvät konseptivarastot ovat jonkin aikaa nousseet suosituiksi. Koko akkuteollisuus näyttää olevan lyöty. Kaikki odottavat innolla grafeeniparistoja. Aikojen saapuminen.

Onko tämä tosiasia? Seuraava sisältö on lähinnä tieteellisestä näkökulmasta paljastamaan salaperäisen grafeeniakun verhon kaikille (Huomautus: Grafeeniakulla ei ole vielä selkeää käsitettä, grafeenin roolin mukaan voidaan jakaa karkeasti grafeeniksi johtavana lisäaineena negatiivinen elektrodimateriaali on kahta tyyppiä: Tässä artikkelissa käsitellään grafeenia akun negatiivisena elektrodimateriaalina).

alkuperää

Vuonna 2014 tieteellisessä raportissa raportoitiin kaikki grafeenilitiumparistoja koskevat työt. Tässä kokonaisgrafeeniparistossa positiivinen elektrodi on pinta-funktionaalista grafeenimateriaalia ja negatiivinen elektrodi on pelkistetty grafeenioksidi. Koko akku hyödyntää positiivisten ja negatiivisten elektrodien pintareaktiota, joten se voi saavuttaa erittäin nopean latauksen ja purkautumisen. Kokonaiselektrodimassan perusteella laskettu tehotiheys voi olla 2150 W / kg.

Tehotiheyden kannalta akku on todellakin lupaava, mutta kun tarkastelemme uudelleen energian tiheyttä, voimme havaita, että kahden elektrodin massaan laskettu energian tiheys on vain 130 Wh / kg, mikä on juuri saavuttaa nykyinen litiumioniakku järjestelmän massalaskelman perusteella (Äskettäin suositun BYD-teräakun järjestelmän energiatiheys on 140 Wh / kg;" Made in China 2025" ehdottaa selvästi, että ajoneuvon yksittäinen energiatiheys -asennettujen akkujen pitäisi saavuttaa 300Wh / kg vuoteen 2020 mennessä). Jos se on integroitu akkujärjestelmään, sen massaenergiatiheys alenee vielä viidellä - kuusikymmentä prosenttia. Lisäksi tämän grafeenipariston positiiviset ja negatiiviset elektrodimateriaalit eivät sisällä litiumia, joten puolikennossa on suoritettava sähkökemiallinen esilitiointi, ennen kuin se sovitetaan täydeksi paristoksi. Tällä tavalla katsomalla grafeeniparistot voivat olla ensimmäisiä, jotka kehittyvät suuritehoisissa skenaarioissa, mutta niiden energiatiheys on edelleen kaukana ihmisten odotuksista.

Joten teoriassa, voidaanko grafeenia käyttää negatiivisen elektrodimateriaalina grafiitin kaltaisille paristoille? Onko litiumin lisäysmekanismi sama kuin grafiitti? Mikä on sen teoreettinen litiumvarastokapasiteetti? Monet tutkijat uskovat, että koska grafeenilla on kaksi puolta, jotka voivat adsorboida litiumatomia, se voi muodostaa kaksi litiumfaasia Li2C6: sta ja sen kaksinkertainen ominaiskapasiteetti on 744 mAh / g. Näistä aiheista on tehty monia tutkimuksia. Jotkut tutkijat ovat käyttäneet DFT-laskelmia löytääkseen, että litiumatomia ei voida adsorboida suoraan grafeenin pinnalle. Ne voidaan upottaa grafeenikerrosten väliin tai grafeenin ja substraatin keskelle reunojen tai korkealaatuisten vikojen kautta. Joten tässä tapauksessa, onko se deintercalation vai adsorptio, ja kuinka monta Li-atomia voidaan tallentaa?

Särkynyt

Vastauksena tähän ongelmaan apulaisprofessori Ji Kemeng Tianjinin yliopistosta kertoi tutkimuksestaan ​​kaksikerroksisen grafeenin litiuminterkalaatiomekanismista Nature Communicationsissa vuonna 2019. He käyttivät kaksikerroksisen grafeenin valmistamiseen korkean lämpötilan kytkentäkemikaalia. materiaali, jolla on korkea ominaispinta. Tätä materiaalia ei tarvitse kiinnittää alustaan, ja siinä on vähän vikoja, joten substraatin ja vikojen vaikutus litiumionien adsorptioon tai deinterkalaatioon voidaan eliminoida, mikä on hyödyllistä litiumin deinterkalaation mekanismin tutkimiseen itse grafeeni. Jatkuvavirtaiset purkaustestit ja sykliset voltammetriakäyrät osoittavat, että kaksikerroksisella grafeenilla on sama sähkökemiallinen hapettumisen-pelkistyksen reaktio kuin tavanomaisilla grafiittielektrodeilla, ja litiumionit deinterkaloidaan kahden grafeenilevyn välillä. Grafeenikerrosten väli on ainoa tila litiumin varastointiin, ja ajatus litiumin absorboimisesta ja varastoinnista on itsestään häviävä! On myös merkittävä ilmiö. Kaksikerroksisen grafeenin maksimikapasiteetti on vain 180 mAh / g nykyisellä tiheysalueella 0,2-50 A / g. Seuraava vaihekarakterisointi osoittaa, että litiumvarastointivaiheen stoikiometrinen koostumus on LiC12 ja ei-grafiittielektrodin LiC6 ei ole ns. Dual litiumvarastoinnin Li2C6-vaihe.

Tämä tutkimustulos osoittaa, että Daumas-Hérold' -domeenimalli soveltuu paremmin kuvaamaan grafiittielektrodien litiumvarastokäyttäytymistä kuin Rüdorff&# 39: n malli, ja on päättänyt puolen vuosisadan keskustelun grafiitti. Samanaikaisesti grafeenin teoreettinen litiumvarastokapasiteetti on lopulta vahvistettu, ja teoreettinen kapasiteetti 180 mAh / g on paljon huonompi kuin grafiittianodin sähkökemiallinen litiumvarastointikapasiteetti. Grafeeniparisto puhkesi itsensä!

Jäljitettävyys

Joten mistä monissa asiakirjoissa ilmoitettu grafeenin suuri kapasiteetti tulee? Tiedämme, että grafeenimateriaalit, joita ihmiset yleensä tekevät, eivät ole suhteellisen puhdasta grafeenia, kuten yllä. Monissa grafeeneissa, joita voimme saada, on runsaasti vikoja (mukaan lukien sekä hiilimateriaalien sisäiset tyhjyysvirheet että erityisesti sisään tuotujen heteroatomikohtien aiheuttamat viat), ja pinnalla on runsaasti erilaisia ​​funktionaalisia ryhmiä (kuten karboksyyli, hydroksyyli, Nämä ryhmät ovat helposti kemiallisesti vuorovaikutuksessa litiumin, kuten epoksiryhmien kanssa). Näiden tekijöiden päällekkäisyys ja itse grafeenin valtava ominaispinta-ala saa suuren litiummäärän olemaan osallistumatta sähkökemialliseen reaktioon deinterkalaation muodossa, mutta myötävaikuttamaan pseudokapasitanssiin adsorption muodossa. Näiden näennäiskapasitanssivaikutusten vuoksi näyttää siltä, ​​että grafeenikapasiteetti on erittäin suuri ja sähkökemiallinen kinetiikka nopea, mutta tällä ei ole juurikaan vaikutusta koko pariston energiatiheyden kasvuun. Lisäksi runsaat reaktiokohdat ja korkea vikapitoisuus aiheuttavat myös rajoitetun aktiivisen litiumin jatkuvan kulutuksen, mikä johtaa kulonbiotehokkuuden heikkenemiseen, mikä on kohtalokasta koko pariston kapasiteetin vakaudelle.

tulevaisuudessa

Edellä esitetyn analyysin jälkeen grafeeni akkujen negatiivisena elektrodimateriaalina on toivoton, jos se haluaa päästä tuhansiin kotitalouksiin. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että grafeeni olisi hyödytön energian varastoinnin alalla. Litiumin varastointitehokkuuden lisäksi grafeenilla itsessään on myös erittäin korkea sähkönjohtavuus ja erinomainen lämmönjohtavuus. Kaksi sähkön ja lämmön tekijää ovat keskeisessä asemassa todellisissa paristoissa. Varsinkin lämpöprosessin aiheuttamat lämpö- ja paristoturvallisuusonnettomuudet voivat jopa vetoa monia elektrodimateriaaleja, joilla on erinomainen sähkökemiallinen suorituskyky. Jos akkuun sovelletaan sekä sähkön että lämmönjohtavuuden etuja, GG: n grafeeniakku&voi myös loistaa.

Tietysti eräänlaisena maagisena materiaalina grafeeni ei tiedä, tuo se uudella vallankumouksella akkuun muilla tavoin? Aivan kuten tuntemattomista lähteistä tuodut tiedotusvälineet, Mercedes-Benz kehittää grafeenipohjaista orgaanista akkua. Erityistä tekniikkaa ei ole vielä paljastettu. Joka tapauksessa, se on vähintään 10 vuotta myöhemmin. Olipa kyseessä uusi vallankumous tai uusi kupla, odotamme ja näemme!

Lyhyesti sanottuna energian varastoinnin ala, joka pyrkii käytännöllisyyteen, ei ole" jahtaavat tähdet" ;. Teoreettisesti toteutettavissa oleva grafeeninegatiivinen elektrodi vaatii liian ankaria olosuhteita (täydellinen grafeeni). Todellisessa tuotannossa on välttämätöntä maksaa korkea omakustannushinta, mikä on vastoin alkuperäistä aikomusta lisätä energiatiheyttä ja vähentää tuotantokustannuksia. Mitä enemmän' s on, teoreettinen toteutettavuus on vihdoin osoittautunut mahdottomaksi. Seuraavalla kerralla esiintyy mediahyökkäyksiä": stä; grafeeniakku" ;, sinun on pidettävä silmäsi auki nähdäksesi selvästi