Graphenbatterien: Ein Mythos oder eine Blase?

Herausforderungen für Lithium-Ionen-Batterien

In den letzten zwei Jahrzehnten seit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien haben unsere Welt und unser Leben weltbewegende Veränderungen gebracht. Die hohen spezifischen Energie- und Leistungsanforderungen von Energiespeichern wie Unterhaltungselektronikgeräten und Elektrofahrzeugen haben die vorhandenen Lithium-Ionen-Batterien zu&"gestresstem GG" gemacht. Die Innovation der Batterietechnologie ist weit hinter der Aufrüstung elektronischer Geräte zurückgeblieben und hat die Benutzererfahrung eingeschränkt. Der größte Engpass.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien basieren auf dem Pendeln aktiver Lithium-Ionen zwischen den positiven und negativen Materialien, um die Umwandlung von chemischer Energie und elektrischer Energie zu erreichen. Es ist jedoch genau dieser elektrochemische Mechanismus des Einsetzens und Extrahierens, der die Kapazität und Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zunehmend unfähig macht, die Anforderungen von Anwendungsszenarien zu erfüllen. In Bezug auf negative Elektrodenmaterialien verwenden die negativen Elektrodenmaterialien von kommerziellen Lithiumionenbatterien, die durch Graphit dargestellt werden, Lithiumionen, um zwischen Graphitschichten zu deinterkalieren, um zu arbeiten. Die Stellen von Lithium in Graphit und der Zwischenschichtabstand von Graphit selbst sind jedoch sehr begrenzt, was Lithium-Ionen-Batterien dazu zwingt, sich dem Dilemma unzureichender Kapazität und niedriger spezifischer Energie zu stellen.

Graphenbatterie: stellte sich heraus

Zu einer Zeit, in der die Menschen ratlos sind, ist eine neue Art von Stern-Kohlenstoff-Material-Graphen herausgekommen! Graphen kann als einschichtiger Graphit angesehen werden, der reichlich Lithium-Interkalationsstellen aufweist, eine ultrahohe elektronische Leitfähigkeit und eine große spezifische Oberfläche aufweist. Kann Graphen auf diese Weise Graphit ersetzen, um eine Revolution in der Energiespeicherindustrie auszulösen? Mit hoher Kapazität, hoher Energiedichte und schnellem Laden sollten Sie diese&"Peach Blossom Springs GG" nicht verwenden. dass die Menschen direkt verfolgt haben, wird Realität? ! Verschiedene Medien haben auch begonnen, über die Vorteile von Graphenbatterien zu berichten und einen entsprechenden Hype zu machen. Graphenbatterie-bezogene Konzeptbestände sind seit einiger Zeit populär geworden. Die gesamte Batterieindustrie scheint geschlagen worden zu sein. Jeder freut sich auf Graphenbatterien. Die Ankunft der Zeiten.

Ist dies jedoch wirklich der Fall? Der folgende Inhalt dient hauptsächlich aus wissenschaftlicher Sicht dazu, den Schleier der mysteriösen Graphenbatterie für jedermann aufzudecken (Hinweis: Die Graphenbatterie hat noch kein klares Konzept, entsprechend der Rolle von Graphen kann grob in Graphen als leitfähiges Additiv unterteilt werden und Graphit Es gibt zwei Arten von En als negatives Elektrodenmaterial. In diesem Artikel wird Graphen als negatives Elektrodenmaterial der Batterie beschrieben.

Ursprung

Im Jahr 2014 berichtete Scientific Report über eine Arbeit an All-Graphen-Lithiumbatterien. In dieser Vollgraphenbatterie ist die positive Elektrode ein oberflächenfunktionalisiertes Graphenmaterial, und die negative Elektrode ist reduziertes Graphenoxid. Die gesamte Batterie nutzt die Oberflächenreaktion der positiven und negativen Elektroden, um ein Laden und Entladen mit extrem hoher Geschwindigkeit zu erreichen. Die anhand der Gesamtelektrodenmasse berechnete Leistungsdichte kann 2150 W / kg erreichen.

Unter dem Gesichtspunkt der Leistungsdichte ist die Batterie zwar vielversprechend, aber wenn wir uns die Energiedichte noch einmal ansehen, können wir feststellen, dass die Energiedichte, die auf der Grundlage der Masse der beiden Elektroden berechnet wird, nur 130 Wh / kg beträgt, was gerade noch möglich ist um die vorhandene Lithium-Ionen-Batterie auf der Grundlage der Systemmassenberechnung zu erreichen (Die Systemenergiedichte der kürzlich beliebten BYD-Blade-Batterie beträgt 140 Wh / kg;&"Made in China 2025 GG" schlägt eindeutig vor, dass die einzelne Energiedichte des Fahrzeugs -montierte Power-Batterien sollten bis 2020 300 Wh / kg erreichen. Wenn es in ein Batteriesystem integriert ist, wird seine Massenenergiedichte um weitere fünf bis sechzig Prozent reduziert. Darüber hinaus enthalten die positiven und negativen Elektrodenmaterialien dieser Vollgraphenbatterie kein Lithium, so dass eine elektrochemische Vorlithiierung in der Halbzelle durchgeführt werden muss, bevor sie in eine volle Batterie eingepasst wird. Wenn man es so betrachtet, sind Graphenbatterien möglicherweise die ersten, die sich in Hochleistungsszenarien entwickeln, aber ihre Energiedichte ist immer noch weit von den Erwartungen der Menschen entfernt.

Kann Graphen theoretisch als negatives Elektrodenmaterial für Batterien wie Graphit verwendet werden? Ist der Mechanismus der Lithiuminsertion der gleiche wie bei Graphit? Was ist seine theoretische Lithiumspeicherkapazität? Viele Forscher glauben, dass Graphen, da es zwei Seiten hat, die Lithiumatome adsorbieren können, eine doppelte Lithiumphase von Li2C6 bilden kann und eine doppelte spezifische Kapazität von 744 mAh / g hat. Es gibt viele Untersuchungen zu diesen Themen. Einige Forscher haben DFT-Berechnungen verwendet, um herauszufinden, dass Lithiumatome nicht direkt an der Oberfläche von Graphen adsorbiert werden können. Sie können nur zwischen Graphenschichten oder durch Kanten oder Defekte höherer Ordnung in die Mitte von Graphen und Substrat eingebettet werden. Handelt es sich in diesem Fall also um Deinterkalation oder Adsorption, und wie viele Li-Atome können gespeichert werden?

Zerschlagen

Als Reaktion auf dieses Problem berichtete Associate Professor Ji Kemeng von der Universität Tianjin über seine Forschungen zum Lithium-Interkalationsmechanismus von zweischichtigem Graphen in Nature Communications im Jahr 2019. Zur Herstellung eines zweischichtigen Graphens verwendeten sie eine hochtemperaturschaltende chemische Gasphasenabscheidungsmethode Material mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Dieses Material muss nicht an das Substrat gebunden werden und weist nur wenige Defekte auf, so dass der Einfluss des Substrats und Defekte auf die Adsorption oder Deinterkalation von Lithiumionen beseitigt werden kann, was für die Untersuchung des Mechanismus der Deinterkalation von Lithium in vorteilhaft ist Graphen selbst. Konstantstrom-Ladungsentladungstests und Cyclovoltammetriekurven zeigen, dass Doppelschichtgraphen die gleiche elektrochemische Oxidations-Reduktionsreaktion wie herkömmliche Graphitelektroden aufweist und Lithiumionen zwischen den beiden Graphenschichten deinterkaliert werden. Der Abstand der Graphenschicht ist der einzige Raum für die Lithiumspeicherung, und die Idee, Lithium zu absorbieren und zu speichern, ist selbstzerstörerisch! Es gibt auch ein bemerkenswertes Phänomen. Die maximale Kapazität von zweischichtigem Graphen beträgt nur 180 mAh / g im Stromdichtebereich von 0,2-50 A / g. Die nachfolgende Phasencharakterisierung zeigt, dass die stöchiometrische Zusammensetzung der Lithiumspeicherphase LiC12 ist und das LiC6 der Nicht-Graphitelektrode nicht die sogenannte duale Lithiumspeicher-Li2C6-Phase ist.

Dieses Forschungsergebnis zeigt, dass das Domänenmodell von Daumas-Hérold&besser zur Beschreibung des Lithiumspeicherverhaltens von Graphitelektroden geeignet ist als das Modell von Rüdorff&und die Debatte über den Lithiumspeichermechanismus von Graphit. Gleichzeitig wurde die theoretische Lithiumspeicherkapazität von Graphen endgültig bestätigt, und die theoretische Kapazität von 180 mAh / g ist der elektrochemischen Lithiumspeicherkapazität der Graphitanode weit unterlegen. Die Graphenbatterieblase platzt von selbst!

Rückverfolgbarkeit

Woher kommt also die hohe Kapazität von Graphen, über die in vielen Dokumenten berichtet wird? Wir wissen, dass die Graphenmaterialien, die Menschen normalerweise herstellen, kein relativ reines Graphen wie oben sind. Viele der Graphene, die wir erhalten können, sind reich an Defekten (einschließlich der intrinsischen Leerstellendefekte von Kohlenstoffmaterialien und der Defekte, die durch speziell eingeführte Heteroatomstellen verursacht werden), und die Oberfläche ist reich an einer Vielzahl von funktionellen Gruppen (wie Carboxyl, Hydroxyl, Diese Gruppen können leicht chemisch mit Lithium (wie Epoxygruppen) interagieren. Die Überlagerung dieser Faktoren und die große spezifische Oberfläche von Graphen selbst führen dazu, dass eine große Menge Lithium nicht in Form einer Deinterkalation an der elektrochemischen Reaktion teilnimmt, sondern in Form einer Adsorption zur Pseudokapazität beiträgt. Diese Pseudokapazitätseffekte lassen den Eindruck entstehen, dass die Graphenkapazität sehr hoch und die elektrochemische Kinetik schnell ist, dies hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf die Erhöhung der Energiedichte der vollen Batterie. Darüber hinaus führen die reichlich vorhandenen Reaktionsstellen und der hohe Defektgehalt auch dazu, dass das begrenzte aktive Lithium kontinuierlich verbraucht wird, was zu einer Verringerung der Coulomb-Effizienz führt, was für die Kapazitätsstabilität der vollen Batterie fatal ist.

Zukunft

Nach der obigen Analyse ist Graphen als negatives Elektrodenmaterial für Batterien hoffnungslos, wenn es in Tausende von Haushalten gelangen soll. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Graphen im Bereich der Energiespeicherung unbrauchbar ist. Neben der Lithiumspeicherleistung weist Graphen selbst auch eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf. Die beiden Faktoren Strom und Wärme spielen bei tatsächlichen Batterien eine entscheidende Rolle. Insbesondere Hitze- und Batteriesicherheitsunfälle, die durch thermisches Durchgehen verursacht werden, können sogar ein Veto gegen viele Elektrodenmaterialien mit ausgezeichneter elektrochemischer Leistung einlegen. Wenn die Vorteile sowohl der elektrischen als auch der thermischen Leitfähigkeit auf die Batterie angewendet werden, wird die&"Graphenbatterie GG"; kann auch leuchten.

Natürlich weiß Graphen als eine Art magisches Material nicht, ob es der Batterie auf andere Weise eine neue Revolution bringen wird? Genau wie die jüngsten Medienberichte aus unbekannten Quellen entwickelt Mercedes-Benz eine organische Batterie auf Graphenbasis. Die spezifische Technologie wurde noch nicht bekannt gegeben. Wie auch immer, es wird mindestens 10 Jahre später sein. Ob es eine neue Revolution oder eine neue Blase ist, wir werden abwarten und sehen!

Kurz gesagt, das Gebiet der Energiespeicherung, das auf Praktikabilität abzielt, ist nicht&"Jagd auf Sterne GG". Die theoretisch realisierbare negative Graphenelektrode erfordert zu raue Bedingungen (perfektes Graphen). In der tatsächlichen Produktion ist es notwendig, einen hohen Selbstkostenpreis zu zahlen, was der ursprünglichen Absicht widerspricht, die Energiedichte zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken. Darüber hinaus hat sich die theoretische Machbarkeit als nicht realisierbar erwiesen. Das nächste Mal wird es einen Medienrummel um&"Graphenbatterie GG" geben. Sie müssen die Augen offen halten, um klar zu sehen