Какую роль графен играет в литиевых батареях

Характеристики графена, несомненно, превосходны, но подходит ли он для литий-ионных аккумуляторов? В настоящее время заявленная на рынке «графеновая батарея» является неточной концепцией. Чтобы быть точным, в основном нужно добавить немного графена в материал, чтобы улучшить некоторые характеристики литиевой батареи, которую можно назвать литий-ионной батареей на основе графена. Не исключено, что графен используется в качестве материала отрицательного электрода для изготовления литиевых батарей или суперконденсаторов в лаборатории, но требования относительно высоки. Таким образом, графен можно использовать в качестве приправы для литиевых батарей, но он не подходит в качестве основного материала.

1. Структура и свойства графена.

Физическая структура: графен представляет собой плоскую пленку с одним атомным слоем, состоящим из атомов углерода. Его толщина составляет всего 0,34 нанометра. Толщина одного слоя равна 1/150 000 диаметра человеческого волоса. Это самый тонкий и самый твердый нанометровый материал, известный в мире, с хорошей светопропускной способностью и способностью складываться. Поскольку существует только один слой атомов, электроны ограничены одной плоскостью, а графен обладает совершенно новым набором электрических свойств. Удельная поверхность графена составляла около 2630 м 2 / г, а теплопроводность - 5000 Вт / м 2. К.

Электрические свойства: графен обладает уникальными свойствами носителя и безмассовыми фермионными свойствами Дирака. Его электронная подвижность может достигать 2 x 105 см2 / об. S, что примерно в 140 раз больше подвижности электронов в кремнии, арсениде галлия в 20 раз, высокая температурная стабильность, электрическая проводимость до 108 Ом / м, поверхностное сопротивление составляет около 31 Ом / кв (310 Ом / м2), что ниже, чем у меди или серебра, является наилучшей проводимостью материала при комнатной температуре.

Кроме того, полуцелый квантовый эффект Холла электронных и дырочных носителей в графене можно наблюдать, изменяя химический потенциал под действием электрического поля, в то время как Новоселов и др. наблюдал этот квантовый эффект Холла графена при комнатной температуре.

2 графена в литиевых батареях

Это связано с тем, что графен с нанометровым эффектом размера, как указано выше, имеет большую удельную площадь поверхности, хорошую электропроводность и отличные механические свойства, такие как графен, которые широко исследуются учеными во всем мире, и создал концепцию "графен-литиевой батареи". В каких ролях литиевая батарея участвует графен?

Отрицательный материал

Благодаря своей уникальной двумерной структуре, отличной электронной пропускной способности и большой удельной поверхности графен имеет большой потенциал для замены графита в качестве катодного материала нового поколения для литий-ионных аккумуляторов. Механизм хранения лития в графене аналогичен механизму хранения в других углеродных материалах. Ионы лития отделяются от положительного полюса во время зарядки и образуются электролитом, внедренным в прослойку углеродного материала, с образованием Li2C6. Ионы лития отделяются и возвращаются на положительный полюс во время разряда. Благодаря особой двумерной структуре графена, когда расстояние между листами больше 0,7 нм, обе стороны графена могут накапливать ионы лития. В то же время, благодаря наличию гофрированного графена, литий также может храниться. Следовательно, теоретическая емкость графена может быть вдвое больше, чем у графита, более 744 мАч / г.

Кроме того, графен в основном имеет микронано-размер, который намного меньше, чем объемный графит, что делает путь диффузии ионов Li короче, а расстояние между слоями графена обычно намного больше, чем у графита, что также обеспечивает больше каналов для пропускание ионов лития. Следовательно, по сравнению с графитом, использование графена в качестве отрицательного электрода более способствует повышению производительности батареи. С тех пор, как была предложена концепция графеновой батареи, многие академические исследования показали, что обратимая емкость графеновой литиевой батареи может достигать более 500 мАч / г, и у нее отличные характеристики умножителя. Литиевый электроотрицательный электрод, приготовленный в лабораторных условиях, в основном использует метод химического осаждения из паровой фазы, восстановление гидразингидрата, вакуумную фильтрацию и метод сублимационной сушки для получения графена, который является чешуйчатым или полым сферическим.

2. Графен ДЕЙСТВУЕТ как проводящий агент.

Основная роль проводящего агента заключается в улучшении электронной проводимости, поскольку электролит является ионным, а электроны не могут проводить, поэтому проводящий агент должен способствовать быстрому прохождению электронов через живой материал к собирающей жидкости. Кроме того, проводящий агент может также улучшить обработку электродного листа, способствовать проникновению электролита на электродный лист, снизить удельное сопротивление, чтобы продлить срок службы литиевой батареи.

В настоящее время обычно используемые проводящие агенты включают SP и ацетиленовую сажу и т. Д. Традиционная углеродная сажа имеет сферическую форму, которая с большей вероятностью будет равномерно смешана с живым веществом. Однако форма контакта - это точечный контакт, который ограничивает роль проводника и увеличивает количество проводящего агента. Однако графен представляет собой листовую структуру с точечным контактом с активным материалом, что может максимизировать роль проводящего агента и уменьшить количество проводящего агента, чтобы использовать больше активного материала и повысить емкость литиевой батареи. . Однако графен в листах - это тоже недостаток. Листы графена труднее диспергировать в растворителях и с большей вероятностью скапливаются вместе. Вместо этого нам нужно увеличить количество используемого графена. В то же время его пластинчатая структура не способствует диффузии ионов лития, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления элемента и ускоренному выходу аккумулятора из строя.

Теоретически сверхбыстрая проводимость графена может улучшить характеристики умножителя батареи, но факт заключается в том, что результат однослойного графена препятствует диффузии ионов лития, особенно в случае зарядки и разрядки с высокой скоростью. поляризация внутри батареи увеличивается, а разрядная емкость батареи уменьшается. Соответствующие исследования показали, что частичная замена графена на проводящую сажу может уменьшить количество проводящего агента и в определенной степени улучшить удельную энергию батареи в условиях низкой скорости разряда.

3. Процесс индустриализации графеновых литиевых батарей.

Успешные примеры графеновых анодных материалов и графеновых проводящих агентов, полученных в лабораторных и научно-исследовательских условиях, обеспечили прочную основу научных исследований для производства графен-литий-ионных батарей в промышленном производстве. Так как же в действительности обстоят дела с графеновыми литий-ионными батареями?

Первым продуктом является «king of ene», выпущенный dong xu в 2016 году. 8 июля 2016 года компания east light провела презентацию литий-ионных аккумуляторов на основе графена в Diaoyutai и выпустила первые в мире литий-ионные аккумуляторы на основе графена. продукт - «король энэ».

Второй продукт - первая в отрасли высокотемпературная и долговечная литиевая батарея с графеном, выпущенная Huawei в декабре 2016 года. Прорыв в технологии высокотемпературных литий-ионных аккумуляторов с использованием графена в основном связан с тремя аспектами: добавлением специальных добавок в электролит и удалить следы воды и избежать высокотемпературного разложения электролита; Положительный электрод батареи изготовлен из модифицированного тройного монокристаллического материала для улучшения термической стабильности материала. В то же время, использование новых материалов, графена, литий-ионных батарей и окружающей среды может обеспечить эффективное рассеивание тепла.

Третий продукт - это «бытовая графеновая батарея» производства Dongxu photoelectric и лучшая, как упоминалось в СМИ. Дело в том, что на диафрагме используется графен ...

Конечно, на рынке есть множество патентов на графен-литиевые батареи, но только на стадии патентования. У Samsung, Panasonic, LG и других есть патентные заявки, связанные с графеном. В настоящее время на рынке нет массового производства литий-ионных аккумуляторов на основе графена.

4. Подводя итоги

Характеристики графена, несомненно, превосходны, но подходит ли он для литий-ионных аккумуляторов? Короче говоря, графен не подходит для литий-ионных батарей. Вот некоторые соображения:

1. Стоимость

Стоимость использования графена в качестве проводящего агента намного выше, чем у обычной сажи. Стоимость литиевой батареи - ключевой фактор контроля, который не снижает стоимость сырья. Даже если электрические свойства графена хороши, производители аккумуляторов не могут использовать стоимость сотен тысяч тонн батарей.

2. Проблемы процесса

Основная технологическая проблема, вызванная чешуйчатой структурой графена, - приготовление электродной суспензии. Электродная суспензия должна иметь хорошую текучесть, диспергируемость и подходящую вязкость. Диспергирование листового графена в электродной суспензии представляет собой сложную проблему, особенно потому, что суспензия не может быть диспергирована путем добавления диспергаторов. Площадь поверхности графена очень велика, что оказывает большое влияние на стабильность осаждения суспензии, а консистенция каждой партии не может быть гарантирована, что влияет на характеристики батареи.

3. Прочие факторы

Чешуйчатая структура графена препятствует диффузии ионов лития, что может вызвать сильную поляризацию батареи и снизить ее емкость. Богатые функциональные группы на поверхности графена представляют собой небольшие ранки на поверхности графена. Чрезмерное добавление не только снизит удельную энергию батареи, но и увеличит количество жидкости, поглощаемой электролитом. С другой стороны, это усилит побочные реакции с электролитом, что повлияет на циркулярность и может даже вызвать проблемы с безопасностью.

В настоящее время заявленная на рынке «графеновая батарея» является неточной концепцией. Чтобы быть точным, в основном нужно добавить немного графена в материал, чтобы улучшить характеристики некоторых литиевых батарей. Его можно назвать литий-ионным аккумулятором на основе графена. Не исключено, что графен используется в качестве материала отрицательного электрода для изготовления литиевых батарей или суперконденсаторов в лаборатории, но требования относительно высоки. Таким образом, графен можно использовать в качестве приправы для литиевых батарей, но он не подходит в качестве основного материала.

Страница содержит содержимое машинного перевода.