Важная роль графена в литиевых батареях

Работоспособность графена несомненна, но обязательно ли он подходит для литий-ионных аккумуляторов? «Графеновая батарея», заявленная в настоящее время на рынке, является неточной концепцией. Точнее говоря, это в основном добавление к материалу небольшого количества графена для улучшения характеристик литиевой батареи. Его можно назвать литиевым аккумулятором на основе графена. Не исключено, что графен используется в качестве материала отрицательного электрода в лаборатории для изготовления литиевых батарей или суперконденсаторов, 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, плоская пленка с одноатомным слоем, состоящая из атомов углерода, имеет толщину всего 0,34 нм, а толщина одного слоя эквивалентна одной пятой диаметра волоса. Это самый тонкий и самый твердый наноматериал из известных в мире. Обладает хорошей светопропускной способностью и складывается. Поскольку существует только один слой атомов, движение электронов ограничено плоскостью, а графен также имеет новые электрические свойства. Графен имеет удельную поверхность около 2630 м 2 / г и теплопроводность 5000 Вт / м; k.

Электрические свойства: Графен обладает уникальными свойствами носителя и безмассовым фермионным свойством Дирака. Его подвижность электронов может достигать 2 × 105 см2 / Вт; s, примерно в 140 раз больше подвижности электронов в кремнии, в 20 раз больше арсенида галлия, высокотемпературная стабильность, электрическая проводимость до 108 Ом / м и поверхностное сопротивление около 31 Ом. на квадратный метр (310 Ом / м2) ниже, чем у меди или серебра, является лучшим проводящим материалом при комнатной температуре.

Кроме того, полуцелый квантовый эффект Холла электронных и дырочных носителей в графене можно наблюдать, изменяя химический потенциал электрическим полем, и Новоселов и др. наблюдал квантовый холл графена при комнатной температуре. эффект.

2. Роль графена в литиевых батареях.

Он точен, потому что графен обладает вышеуказанным наноразмерным эффектом, большой удельной площадью поверхности, хорошей электропроводностью и превосходными механическими свойствами. Графен широко изучался учеными всего мира и позволил создать «графен-литиевую батарею». В этой концепции, какую роль графен играет в литиевых батареях?

1) Материал анода

Графен может заменить графит в качестве анодного материала нового поколения литиевых батарей благодаря своей уникальной двумерной структуре, отличной способности к переносу электронов и большой удельной поверхности. Механизм хранения лития в графене аналогичен механизму хранения в других углеродных материалах. При зарядке ионы лития отделяются от положительного электрода и превращаются в Li2C6 через слой углеродного материала, интеркалированный электролитом. При разрядке ионы лития извлекаются и возвращаются на положительный электрод. Благодаря особой двумерной структуре графена, когда расстояние между слоями больше 0,7 нм, обе стороны графена могут хранить ионы лития, а литий может накапливаться из-за наличия морщин в графене, поэтому теоретическая емкость может быть графит. В два раза больше 744 мАч / г.

Кроме того, графен в основном имеет микронано-размер, намного меньший, чем объемный графит, что делает путь диффузии ионов Li короче. Расстояние между слоями графена обычно намного больше, чем у графита, что также обеспечивает больше каналов для переноса ионов лития. Следовательно, по сравнению с графитом использование графена в качестве отрицательного электрода более способствует улучшению характеристик батареи. С тех пор, как была выдвинута концепция графеновой батареи, результаты многих академических исследований показывают, что обратимая емкость графеновой литиевой батареи может достигать более 500 мАч / г и имеет отличные характеристики. Литий-ионный отрицательный электрод, приготовленный в лабораторных условиях, в основном готовится методом химического осаждения из паровой фазы, восстановлением гидразина, вакуумной фильтрацией, методом сублимационной сушки и т. Д. Или имеет форму хлопьев или полых сфер, которые отличаются друг от друга.

2) Графен как проводящий агент

Основная функция проводящего агента - увеличить электронную проводимость. Поскольку электролит является проводящим ионы, а электроны не проводящими, проводящий агент способствует быстрому прохождению электронов через живой материал к токоприемнику. Кроме того, проводящий агент может также улучшить обрабатываемость полюсного наконечника, способствовать проникновению электролита в полюсный наконечник, снизить удельное электрическое сопротивление и тем самым увеличить срок службы литиевой батареи.

В настоящее время обычно используемыми проводящими агентами являются SP, ацетиленовая сажа и т. Д. Обычная сажа имеет сферическую форму, и ее легче смешивать друг с другом при смешивании с активным материалом, но форма контакта - точечный, что ограничивает проявление проводящего эффекта и увеличивает добавление проводящего агента. количество. С другой стороны, графен представляет собой пластинчатую структуру, а контакт с активным материалом представляет собой контакт точка-поверхность, что может максимизировать функцию проводящего агента и т.п. и уменьшить количество проводящего агента. тем самым делая возможным больше использовать активный материал и увеличивая емкость литиевой батареи. Однако листовая форма графена также является его недостатком. Пластинчатый графен труднее диспергировать в растворителе и с большей вероятностью будет агломерироваться вместе, но необходимо увеличить количество графена. В то же время его листовая 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 быстродействие батареи, но факт в том, что монолитный слой графена препятствует диффузии ионов лития, особенно в случае большой скорости заряда и разряда, внутренняя поляризация батареи увеличивается, и батарея разряжается. Емкость уменьшена. Связанные с этим исследования показали, что частичная замена проводящей сажи графеном может уменьшить количество проводящего агента и в определенной степени повысить 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 условиях и в условиях исследований и разработок, обеспечивают прочную основу для научных исследований для коммерциализации графеновых литий-ионных батарей в промышленном производстве, так что же на самом деле представляют собой графеновые литиевые силовые батареи? Какие?

Первым продуктом был продукт «Ene King», выпущенный Dongxu Optoelectronics в 2016 году. 8 июля 2016 года компания Dongxu Optoelectronics провела пресс-конференцию по литий-ионным батареям на основе графена на выставке Diaoyutai и представила первые в мире литий-ионные аккумуляторы на основе графена. ионный аккумулятор, «Alkenwang».

Второй продукт - первая в отрасли высокотемпературная литиевая батарея с длительным сроком службы с использованием графена, 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 к электролит для удаления следов воды и предотвращения пиролиза электролита; положительный электрод батареи модифицирован крупными монокристаллическими тройными материалами. Термостойкость материала; в то же время использование нового материала графена может обеспечить эффективное рассеивание тепла между литий-ионным аккумулятором и окружающей средой.

Третий продукт - это «отечественная графеновая батарея», произведенная Dongxu Optoelectronics и Best в средствах массовой информации. Дело в том, что на диафрагме используется графен ...

Конечно, на рынке имеется множество патентов на графеновые литиевые батареи, но они находятся только на стадии патентования. В том числе Samsung, Panasonic, LG и т. Д., У всех есть патентные заявки, связанные с графеном. В настоящее время на рынке нет предприятий по массовому производству литий-ионных аккумуляторов на основе графена.

4. Резюме

Работоспособность графена несомненна, но обязательно ли он подходит для литий-ионных аккумуляторов? В небольших сериях графен не подходит для литий-ионных аккумуляторов, учтите следующее:

1. проблема затрат

Стоимость использования графена в качестве проводящего агента намного выше, чем у обычной сажи. Стоимость литиевой батареи является ключевым фактором контроля, а стоимость сырья не снижается. Даже если электрические свойства графена хороши, одна тонна сотен тысяч дорогостоящих производителей батарей тоже не может себе этого позволить.

2. Проблемы процесса

Проблема процесса, вызванная листовой структурой графена, заключается в основном в приготовлении электродной пасты. Электродная паста должна иметь хорошую текучесть, диспергируемость и подходящую вязкость. Диспергирование чешуйчатого графена в электродной пасте представляет собой очень сложную проблему, особенно в случае, когда в электродную пасту нельзя добавлять диспергатор для облегчения диспергирования. Площадь поверхности графена велика, что оказывает большое влияние на седиментационную стабильность суспензии и не может гарантировать консистенцию каждой партии и влиять на характеристики батареи.

3. Прочие факторы

Листовая структура графена препятствует диффузии ионов лития, которая имеет тенденцию вызывать серьезную поляризацию батареи, что приводит к снижению емкости батареи. Богатая функциональная группа на поверхности графена - это небольшая рана на поверхности графена. Добавление слишком большого количества не только снизит удельную энергию батареи, но также увеличит поглощение жидкости электролитом. С другой стороны, это усилит побочную реакцию с электролитом и повлияет на цикл. Могут даже быть проблемы с безопасностью.

«Графеновая батарея», заявленная в настоящее время на рынке, является неточной концепцией. Точнее говоря, добавление небольшого количества графена в материал для улучшения характеристик литиевой батареи можно назвать литиевой батареей на основе графена. Не исключено, что графен используется в качестве материала отрицательного электрода в лаборатории для изготовления литиевых батарей или суперконденсаторов, 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.