Действительно ли литиевые графеновые батареи настолько круты?

С тех пор, как физики АндреГейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета, Великобритания, разделили Нобелевскую премию по физике 2010 года за свои «новаторские эксперименты с двумерными графеновыми материалами», любые новости или исследования графена получили много внимания. Итак, каковы потенциальные преимущества перезарядки графеновых литиевых батарей? Например, популярный литиевый аккумулятор с мобильной зарядкой вселяет в публику ожидание применения этой технологии.

Я также часто спрашиваю у крупного рогатого скота, занимающегося исследованиями и разработками компании: «Графен теперь может массовое производство?» Неужели графеновые литиевые батареи считаются настолько мощными, что их можно полностью зарядить за секунды? На самом деле, для профессионала часто остается только ответить, например, электричество, у меня нет опыта в электрохимии или материаловедении, мне трудно понять эту непонятную профессиональную теорию.

Автор комбинирует профессиональные ответы и различные данные, чтобы отсортировать следующий контент, чтобы вы могли увидеть, что в сегодняшних технологических изменениях с каждым днем действительно трудно сказать эти передовые идеи и идеи, сейчас это похоже на шумиху, может быть, в тот день станет реальностью.

Что такое графен

Графен (добавьте Graphene) - это двумерный материал, состоящий из атомов углерода с sp2-гибридизированными орбиталями, образующих гексагональную плоскую пленку с сотовой решеткой и толщиной всего в один атом углерода. Графен в настоящее время является самым тонким, но самым твердым наноматериалом в мире. Он практически полностью прозрачен и поглощает всего 2,3% света. Теплопроводность до 5300 Вт / м · К, выше, чем у углеродных нанотрубок и алмаза, при комнатной температуре его электронная подвижность составляет более 15000 см2 / В · с и выше, чем у углеродных нанотрубок или кристаллов кремния, а удельное сопротивление составляет всего около 10- 8,1% м, что ниже, чем у меди или серебра, самое маленькое удельное сопротивление материала в мире.

Самые тонкие, самые твердые, самые теплопроводные, самые электропроводящие - все эти кольца рассказывают людям, какой удивительный материал представляет собой графен. Однако автор должен напомнить, что графен может называться графеном только по международному определению 1-2-слойного нанолиста, и только графен без каких-либо дефектов обладает этими идеальными свойствами, в то время как фактический произведенный графен в основном является многослойным и имеет дефекты.

Современные методы производства и качество

Механическое снятие изоляции: команда Гейма произвела графен вручную, используя ленту 3M, но выход был настолько низким, а полученный графен был настолько мал, что этот метод вряд ли был коммерчески жизнеспособным.

Метод химического осаждения из паровой фазы (CVD): метод химического осаждения из паровой фазы в основном используется для получения тонких пленок графена. При высокой температуре метан и другие газы осаждаются на поверхности металлической подложки (медной фольги) для каталитического крекинга, а затем образуется графен. Преимущество метода CVD заключается в том, что он позволяет выращивать графеновые пленки с большой площадью, высоким качеством и хорошей однородностью, но недостатком является то, что его трудно переносить из-за высокой стоимости и сложного процесса, а обычно выращиваемые графеновые пленки являются поликристаллическими.

Окислительно-восстановительный метод: окислительно-восстановительный метод относится к реакции природного графита с сильной кислотой и сильными окисляющими веществами с образованием оксида графита (GO), который диспергируется ультразвуком для получения оксида графена, а затем добавляется восстановитель для удаления кислорода. содержащие группы на поверхности оксида графита, чтобы получить графен. Метод окисления-восстановления стал наиболее распространенным методом производства графена из-за его низкой стоимости и простоты реализации. Однако сточные воды, образующиеся при использовании этого метода, серьезно загрязняют окружающую среду. Приготовленный графен обычно представляет собой многослойный графен или микрокристаллический графен, а не графен в строгом смысле слова, и некоторые электрические и механические свойства графена теряются из-за дефектов продукта.

Метод удаления растворителя: принцип метода удаления растворителя заключается в том, что небольшое количество графита диспергируется в растворителе с образованием раствора дисперсии с низкой концентрацией. Эффект ультразвука используется для разрушения силы Ван-дер-Ваальса между слоями графита. Растворитель вводится между слоями графита, и слои снимаются с образованием графена. Этот метод не разрушает структуру графена, так как окислительно-восстановительный метод может производить высококачественный графен. Недостатком является высокая стоимость и очень низкая производительность, затруднено промышленное производство.

Кроме того, методы получения графена включают термический метод с использованием растворителя, восстановление при высокой температуре, восстановление света, метод эпитаксиального роста кристаллов, микроволновый метод, дуговый метод, электрохимический метод и т.д., которые не так распространены, как четыре метода, упомянутые выше.

Здесь мы вводим новый термин: RGO. Обычно го делают из графита, окисленного сильной кислотой, а затем восстанавливаемого химическим восстановлением или термическим ударом. В настоящее время подавляющее большинство так называемого «графена» на рынке представляет собой оксид графена, полученный окислительно-восстановительным методом. Количество графитовых листов варьируется, и на поверхности имеется множество дефектов и функциональных групп, электрические, термические или механические свойства которых отличаются от свойств графена, удостоенного Нобелевской премии. Технически они не являются «графеном».

Термин «графеновая батарея» сейчас очень популярен. Фактически, термин «графеновая батарея» не существует в международных научных кругах и в индустрии литиевых батарей. Итак, «графеновая литиевая батарея» - действительно захватывающая идея.

Согласно graphene-info, ведущему веб-сайту Graphene в США, «графеновая батарея» определяется как батарея, сделанная из графена, добавленного в электродные материалы. На мой взгляд, это объяснение явно вводит в заблуждение. Согласно классической электрохимической номенклатуре, литий-ионная батарея, обычно используемая в смартфонах, должна называться «литиево-кобальт-графитовая батарея».

Называется литий-ионным аккумулятором, потому что литий-ионные аккумуляторы SONY 18650 на рынке в 1991 году, если рассматривать классическую номенклатуру, слишком сложную, средний человек не может вспомнить, а процесс зарядки и разрядки осуществляется путем миграции литий-ионных аккумуляторов не содержит металлического лития, поэтому называется «литий-ионный аккумулятор». В конце концов, название «литий-ионный аккумулятор» было широко принято во всем мире, что также отразило особый вклад SONY в области литиевых аккумуляторов.

В настоящее время почти все коммерческие литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из анодных материалов графитового типа. В случае аналогичных свойств отрицательного электрода производительность литий-ионных батарей в значительной степени зависит от материалов анода. Так что теперь литий-ионные батареи также имеют привычку называть их анодом. Например, литий-железо-фосфатная батарея BYD (так называемая «железная батарея» не входит в предмет обсуждения автора), литиево-кобальтово-кислотная батарея, литиево-марганцево-кислотная батарея, тройная батарея и т. Д. - все для положительного электрода. .

У графена есть возможное (но только возможное) применение в литиевых батареях.

Отрицательный:

1. Графен используется исключительно для изготовления анодных материалов;

2. Формирование композиционных материалов с другими новыми катодными материалами, такими как материалы на основе кремния и олова, а также соединения переходных металлов;

Отрицательная проводящая добавка.

Положительный электрод: он в основном используется в качестве проводящего агента, добавляемого к положительному электроду из фосфата лития-железа для улучшения соотношения и низкотемпературных характеристик; Также проводятся исследования по улучшению циклических характеристик фосфата лития-марганца и фосфата лития-ванадия.

Фактические характеристики алюминиевой фольги с графеновым функциональным покрытием не намного лучше, чем у обычной алюминиевой фольги с углеродным покрытием (разработанной A123 совместно с hankel). Напротив, стоимость и сложность процесса значительно возросли, что делает коммерциализацию этой технологии очень маловероятной.

Из приведенного выше анализа ясно, что есть только две возможные области, в которых графен может играть роль в литий-ионных батареях: непосредственно в катодных материалах и в проводящих добавках.

Возможность использования графена только в качестве литиевого анодного материала

Кривая заряда-разряда чистого графена очень похожа на кривую твердого углерода и активированного угля с высокой удельной поверхностью, оба из которых имеют недостатки: очень низкая кулоновская эффективность начального цикла, слишком высокая платформа заряда-разряда, серьезная задержка потенциала. и плохая устойчивость при езде на велосипеде. Эти проблемы фактически являются основными электрохимическими характеристиками неупорядоченных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью.

Графен имеет очень низкую плотность вибрации и уплотнения и чрезвычайно дорог, поэтому нет возможности напрямую использовать графен в качестве отрицательного электрода литий-ионных батарей вместо графитовых материалов. Поскольку сам по себе графен не годится в качестве отрицательного электрода, как насчет графеновых композитных материалов?

Графен и другие новые негативные материалы, такие как материалы на основе кремния и олова, а также соединения переходных металлов для формирования композитов, в настоящее время являются самой горячей областью исследований для «нанолития»: за последние несколько лет были опубликованы тысячи статей. . С одной стороны, гибкость графенового листового слоя используется для буферизации объемного расширения этих материалов электродов большой емкости во время цикла; с другой стороны, превосходная проводимость графена может улучшить электрический контакт между частицами материала и уменьшить поляризацию. Все эти факторы могут улучшить электрохимические свойства композиционного материала.

Однако не только графен может достичь эффекта улучшения. Практический опыт автора показывает, что применение традиционных углеродных композитных технологий и процессов позволяет добиться аналогичных или даже лучших электрохимических свойств. Например, композитные катодные материалы Si / C не улучшают значительно электрохимические свойства материалов по сравнению с обычной сухой композитной технологией. Напротив, дисперсность и совместимость графена увеличивают сложность процесса и влияют на стабильность партии.

Если принять во внимание стоимость материала, производственный процесс, технологичность и электрохимические свойства, автор полагает, что возможность реального применения графена или графеновых композитов в литиевом аноде очень мала, а перспективы индустриализации малы.

Возможность использования графена в качестве проводящего агента

В настоящее время проводящие агенты, обычно используемые в литиевом электричестве, включают проводящую сажу, ацетиленовую сажу, когеновую сажу, SuperP и т. Д., И теперь некоторые производители аккумуляторов начинают использовать углеродное волокно (VGCF) и углеродные нанотрубки (CNT) в качестве проводящих агентов. в силовых батареях.

Принцип графена как проводящего агента заключается в его превосходной способности к электронной передаче благодаря его особой двумерной структуре с высокой удельной площадью поверхности. Согласно накопленным к настоящему времени данным испытаний, VGCF, CNT и графен имеют определенные улучшения по сравнению с SuperP с точки зрения производительности умножителя, но есть небольшая разница в степени улучшения электрохимических характеристик между тремя, а графен не показывает очевидного преимущества. .

Так может ли добавление графена вызвать взрыв материала электрода? Ответ - нет. Батареи мобильных телефонов iPhone, например, емкость аккумулятора вознесения во многом обусловлена результатом подъема рабочего напряжения LCO, максимального напряжения зарядки от 4,2 В до 4,35 В, в настоящее время на I - Phone6 емкость LCO составляет от 145 мАч. / г постепенно увеличиваются до 160-170 мАч / г (LCO высокого давления должен пройти меры по легированию и модификации, такие как покрытие поверхности), все эти улучшения не имеют ничего общего с графеном.

Другими словами, если вы используете оксид лития-кобальта с напряжением отсечки 4,35 В и емкостью 170 мАч / г при высоком давлении, вы не сможете увеличить емкость оксида лития-кобальта до 180 мАч / г на столько, сколько добавите графен. Не говоря уже о так называемой «графеновой батарее», емкость которой в несколько раз больше. Может ли добавление графена продлить срок службы батареи? Это тоже невозможно. Удельная поверхность графена больше, чем у УНТ, и добавление УНТ к отрицательному электроду может только генерировать больше SEI и потреблять ионы лития, поэтому УНТ и графен могут быть добавлены только к положительному электроду, чтобы улучшить соотношение и снизить температурные характеристики.

Однако богатые функциональные группы на поверхности графена - это 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 и повлияет на его циркуляцию, и даже может вызвать проблемы с безопасностью. А как насчет стоимости? В настоящее время производство графена чрезвычайно дорогое, и так называемые дешевые «графеновые» продукты, представленные на рынке, в основном представляют собой оксид графена.

Даже го стоит больше, чем CNT, что выше, чем VGCF. А с точки зрения диспергируемости и технологичности с VGCF легче работать, чем с УНТ и графеном, что является основной причиной того, что VGCF от showa denko постепенно выходит на рынок аккумуляторных батарей. Можно видеть, что графен не имеет никаких преимуществ по сравнению с УНТ и VGCF с точки зрения затрат при использовании в качестве проводящей добавки.

Текущая горячая ситуация с графеном в Китае напоминает мне углеродные нанотрубки (УНТ) более десяти лет назад. Если мы сравним графен и УНТ, мы обнаружим, что они поразительно похожи, со многими почти идентичными «странными свойствами». Эти «магические свойства» УНТ теперь полностью применимы к графену. В конце прошлого века CNT начали пользоваться международным спросом и достигли своего апогея между 2000 и 2005 годами. CNTS, как говорят, очень универсальны и обладают множеством «уникальных свойств» в области лития.

Но прошло более 20 лет, и до сих пор не увидели эти УНТ «странного исполнения» ни в одной области, имеющей реальное масштабное применение. Что касается литиевого электричества, УНТ используются только в качестве проводящего агента положительного электрода. В последние два года компания начала мелкомасштабные испытания аккумуляторной батареи LFP (экономическая эффективность все еще ниже, чем у VGCF), и аккумуляторная батарея LFP обречена на то, чтобы стать основным технологическим направлением для электромобилей.

По сравнению с УНТ графен очень похож на него по электрохимическим свойствам без каких-либо особенностей. Напротив, он имеет более высокую стоимость производства, более серьезное загрязнение окружающей среды в производственном процессе и более сложную практическую работу и характеристики обработки. Основываясь на моем многолетнем опыте разработки и производства литиевых батарей, я не думаю, что графен будет иметь большое практическое применение в области ионно-литиевых батарей. Так называемая «графеновая батарея» - это просто шумиха. Сравнивая УНТ с графеном, автор хотел бы сказать, что «история всегда так похожа».

Были высказаны предположения о реальных потенциальных применениях графена.

Будущие применения графена в литий-ионных батареях очень ограничены. По сравнению с литий-ионными батареями, автор считает, что перспектива применения графена в суперконденсаторах, особенно в области микроконденсаторов, кажется немного более надежной. Тем не менее, мы все же должны быть готовы к некоторой академической шумихе.

Фактически, прочитав многие из этих так называемых «академических открытий», вы обнаружите, что многие профессора намеренно или непреднамеренно перепутали некоторые базовые концепции в своей статье. В настоящее время коммерческие суперконденсаторы с активированным углем обычно имеют плотность энергии 7-8 Вт · ч / кг, что относится к удельной энергии устройства всего суперконденсатора, содержащего все компоненты. И прорыв, о котором говорят профессора, обычно связан с плотностью энергии материала, поэтому фактический сверхзаряд графена далеко не так хорош, как предполагается в статье.

Соответственно, требования к стоимости миниатюрных суперконденсаторов не такие строгие, конденсаторы с графеновыми композитами в качестве электрохимически активного материала, и выбор соответствующего ионного жидкого электролита может быть реализован с двойным преимуществом по сравнению с традиционными конденсаторными и литиево-ионными аккумуляторными устройствами хранения энергии, В микроэлектромеханической системе (МЭМС) такая небольшая ниша может (просто) иметь определенное прикладное значение.

Страница содержит содержимое машинного перевода.