Batterie al grafene: un mito o una bolla?

Sfide per le batterie agli ioni di litio

Negli ultimi due decenni dall'avvento delle batterie agli ioni di litio, il nostro mondo e la nostra vita hanno portato cambiamenti sconvolgenti. L'elevata energia specifica e l'elevata potenza di funzionamento dei dispositivi di accumulo di energia come apparecchiature elettroniche di consumo e veicoli elettrici hanno reso le batterie agli ioni di litio esistenti" stressed" ;. L'innovazione della tecnologia delle batterie è rimasta molto indietro rispetto all'aggiornamento delle apparecchiature elettroniche ed è diventata un limite per l'esperienza dell'utente. Il più grande collo di bottiglia.

Le tradizionali batterie agli ioni di litio si basano sulla navetta di ioni di litio attivi tra i materiali positivi e negativi per ottenere la conversione di energia chimica ed energia elettrica. Tuttavia, è proprio questo meccanismo elettrochimico di inserzione ed estrazione che rende la capacità e la densità energetica delle batterie agli ioni di litio sempre più incapaci di soddisfare le esigenze degli scenari applicativi. In termini di materiali per elettrodi negativi, i materiali per elettrodi negativi delle batterie commerciali agli ioni di litio rappresentati dalla grafite utilizzano ioni di litio per deintercalarsi tra gli strati di grafite per funzionare. Tuttavia, i siti del litio nella grafite e la spaziatura tra gli strati della grafite stessa sono molto limitati, il che costringe le batterie agli ioni di litio ad affrontare il dilemma di capacità insufficiente e bassa energia specifica.

Batteria al grafene: rivelata

In un momento in cui le persone sono in perdita, è uscito un nuovo tipo di materiale di carbonio stellare: il grafene! Il grafene può essere considerato come una grafite a strato singolo, che ha abbondanti siti di intercalazione del litio e ha una conduttività elettronica ultraelevata e un'enorme area superficiale specifica. In questo modo, il grafene può sostituire la grafite per far esplodere una rivoluzione nel settore dell'accumulo di energia? Con alta capacità, alta densità di energia e ricarica rapida, non indossare questi" Peach Blossom Springs" che le persone hanno perseguito direttamente diventare realtà? ! Vari media hanno anche iniziato a riferire sui vantaggi delle batterie al grafene e fare pubblicità corrispondente. Per un po 'di tempo, le scorte concettuali relative alle batterie al grafene sono diventate popolari. L'intera industria delle batterie sembra essere stata sconfitta. Tutti aspettano con impazienza le batterie al grafene. L'arrivo dei tempi.

Tuttavia, è davvero così? Il seguente contenuto è principalmente da un punto di vista scientifico per scoprire il velo della misteriosa batteria al grafene per tutti (Nota: la batteria al grafene non ha ancora un concetto chiaro, secondo il ruolo del grafene può essere approssimativamente suddiviso in grafene come additivo conduttivo e grafite Esistono due tipi di ene come materiale dell'elettrodo negativo. Questo articolo discute del grafene come materiale dell'elettrodo negativo della batteria).

origine

Nel 2014, Scientific Report ha riportato un lavoro su batterie al litio interamente in grafene. In questa batteria interamente in grafene, l'elettrodo positivo è un materiale di grafene funzionalizzato in superficie e l'elettrodo negativo è ossido di grafene ridotto. L'intera batteria utilizza la reazione superficiale degli elettrodi positivo e negativo, in modo che possa raggiungere una velocità di carica e scarica estremamente elevata. La densità di potenza calcolata in base alla massa complessiva dell'elettrodo può raggiungere 2150 W / kg.

Dal punto di vista della densità di potenza, la batteria è davvero promettente, ma quando guardiamo di nuovo la densità di energia, possiamo scoprire che la densità di energia calcolata in base alla massa dei due elettrodi è solo 130Wh / kg, che è appena in grado per raggiungere la batteria agli ioni di litio esistente in base al calcolo della massa del sistema (La densità di energia del sistema della batteria a lama BYD recentemente popolare è di 140 Wh / kg;" Made in China 2025" propone chiaramente che la singola densità di energia del veicolo le batterie di alimentazione montate dovrebbero raggiungere i 300 Wh / kg entro il 2020). Se è integrato in un sistema di batterie, la sua densità di energia di massa sarà scontata di un altro 5-60%. Inoltre, i materiali dell'elettrodo positivo e negativo di questa batteria interamente in grafene non contengono litio, quindi la pre-litiazione elettrochimica nella semicella deve essere eseguita prima di abbinare una batteria piena. Guardando in questo modo, le batterie al grafene potrebbero essere le prime a svilupparsi in scenari ad alta potenza, ma la loro densità di energia è ancora lontana dalle aspettative delle persone GG.

Quindi, in teoria, il grafene può essere utilizzato come materiale per elettrodi negativi per batterie come la grafite? Il meccanismo di inserimento del litio è lo stesso della grafite? Qual è la sua capacità teorica di accumulo di litio? Molti ricercatori ritengono che poiché il grafene ha due lati in grado di adsorbire gli atomi di litio, può formare una doppia fase di litio di Li2C6 e ha una doppia capacità specifica di 744 mAh / g. Ci sono molte ricerche su questi temi. Alcuni ricercatori hanno utilizzato calcoli DFT per scoprire che gli atomi di litio non possono essere adsorbiti direttamente sulla superficie del grafene. Possono essere incorporati solo tra strati di grafene o al centro del grafene e del substrato attraverso bordi o difetti di ordine superiore. Quindi, in questo caso, è deintercalazione o adsorbimento e quanti atomi di Li possono essere immagazzinati?

In frantumi

In risposta a questo problema, il professore associato Ji Kemeng dell'Università di Tianjin ha riportato la sua ricerca sul meccanismo di intercalazione del litio del grafene a doppio strato in Nature Communications nel 2019. Hanno utilizzato un metodo di deposizione di vapore chimico a commutazione ad alta temperatura per preparare un grafene a doppio strato materiale con una superficie specifica elevata. Questo materiale non ha bisogno di essere attaccato al substrato e presenta pochi difetti, quindi è possibile eliminare l'influenza del substrato e dei difetti sull'adsorbimento o la deintercalazione degli ioni di litio, il che è vantaggioso per lo studio del meccanismo di deintercalazione del litio in grafene stesso. I test di carica-scarica a corrente costante e le curve di voltammetria ciclica mostrano che il grafene a doppio strato ha la stessa reazione elettrochimica di riduzione dell'ossidazione degli elettrodi di grafite convenzionali e gli ioni di litio sono deintercalati tra i due fogli di grafene. La spaziatura degli strati di grafene è l'unico spazio per la conservazione del litio e l'idea di assorbire e conservare il litio è controproducente! C'è anche un fenomeno degno di nota. La capacità massima del grafene a doppio strato è di soli 180 mAh / g nell'intervallo di densità di corrente di 0,2-50 A / g. La successiva caratterizzazione della fase mostra che la composizione stechiometrica della fase di stoccaggio del litio è LiC12 e La LiC6 dell'elettrodo non di grafite non è la cosiddetta fase Li2C6 di doppia conservazione del litio.

Questo risultato di ricerca mostra che il modello di dominio di Daumas-Hérold' è più adatto per descrivere il comportamento di immagazzinamento del litio degli elettrodi di grafite rispetto al modello di Rüdorff' e ha posto fine al dibattito di mezzo secolo sul meccanismo di stoccaggio del litio di grafite. Allo stesso tempo, la capacità teorica di accumulo di litio del grafene è stata finalmente confermata e la capacità teorica di 180 mAh / g è di gran lunga inferiore alla capacità di accumulo di litio elettrochimico dell'anodo di grafite. La bolla della batteria al grafene scoppia da sola!

Tracciabilità

Allora, da dove viene l'elevata capacità del grafene riportata in molti documenti? Sappiamo che i materiali di grafene che le persone di solito producono non sono grafene relativamente puro come quello sopra. Molti dei grafeni che possiamo ottenere sono ricchi di difetti (inclusi sia i difetti intrinseci di vacancy dei materiali di carbonio che i difetti causati da siti eteroatomi appositamente introdotti) e la superficie è ricca di una varietà di gruppi funzionali (come carbossile, idrossile, Questi gruppi sono facili da interagire chimicamente con il litio, come i gruppi epossidici). La sovrapposizione di questi fattori e l'enorme superficie specifica del grafene stesso farà sì che una grande quantità di litio non partecipi alla reazione elettrochimica sotto forma di deintercalazione, ma contribuisca alla pseudocapacità sotto forma di adsorbimento. Questi effetti di pseudocapacità fanno sembrare che la capacità del grafene sia molto alta e la cinetica elettrochimica veloce, ma questo ha scarso effetto sull'aumento della densità di energia della batteria piena. Inoltre, gli abbondanti siti di reazione e l'elevato contenuto di difetti faranno sì che il litio attivo limitato venga consumato continuamente, con conseguente diminuzione dell'efficienza coulombica, che è fatale per la stabilità della capacità della batteria piena.

futuro

Dopo l'analisi di cui sopra, il grafene come materiale dell'elettrodo negativo per le batterie è senza speranza se vuole entrare in migliaia di famiglie. Tuttavia, questo non significa che il grafene sia inutile nel campo dell'accumulo di energia. Oltre alle prestazioni di stoccaggio del litio, il grafene stesso ha anche una conduttività elettrica ultraelevata e un'eccellente conduttività termica. I due fattori dell'elettricità e del calore giocano un ruolo fondamentale nelle batterie reali. Soprattutto il calore, gli incidenti di sicurezza della batteria indotti da una fuga termica possono persino porre il veto a molti materiali di elettrodi con eccellenti prestazioni elettrochimiche. Se si applicano alla batteria i vantaggi della conducibilità elettrica e termica, la batteria al grafene" può anche brillare.

Ovviamente, come una sorta di materiale magico, il grafene non sa se porterà una nuova rivoluzione alla batteria in altri modi? Proprio come i recenti resoconti dei media da fonti sconosciute, Mercedes-Benz sta sviluppando una batteria organica a base di grafene. La tecnologia specifica non è stata ancora divulgata. Comunque, saranno passati almeno 10 anni. Che si tratti di una nuova rivoluzione o di una nuova bolla, aspetteremo e vedremo!

Insomma, il campo dell'accumulo di energia, che punta alla praticità, non è" a caccia di stelle" ;. L'elettrodo negativo al grafene teoricamente fattibile richiede condizioni troppo dure (grafene perfetto). Nella produzione effettiva, è necessario pagare un prezzo di costo elevato, il che è contrario all'intenzione originaria di aumentare la densità energetica e ridurre i costi di produzione. Cosa c'è di più GG, la fattibilità teorica si è finalmente rivelata non fattibile. La prossima volta che ci sarà un clamore mediatico su" batteria al grafene", devi tenere gli occhi aperti per vedere chiaramente