Batteriji tal-Grafen: Mit jew Bużżieqa?

Sfidi li jiffaċċjaw batteriji tal-jone tal-litju

Matul l-aħħar għoxrin sena mill-miġja tal-batteriji tal-jone tal-litju, id-dinja u l-ħajja tagħna ġabu bidliet li jħawdu l-art. Ir-rekwiżiti ta 'enerġija speċifika għolja u qawwa għolja tax-xogħol ta' apparat għall-ħażna tal-enerġija bħal tagħmir elettroniku għall-konsumatur u vetturi elettriċi għamlu l-batteriji tal-jone tal-litju eżistenti" enfasizzat" ;. L-innovazzjoni tat-teknoloġija tal-batterija waqgħet ħafna wara l-aġġornament tat-tagħmir elettroniku u saret restrizzjoni fuq l-esperjenza tal-utent. L-ikbar ostaklu.

Batteriji tradizzjonali tal-jone tal-litju huma bbażati fuq ix-shuttle ta 'joni tal-litju attivi bejn il-materjali pożittivi u negattivi biex tinkiseb il-konverżjoni ta' enerġija kimika u enerġija elettrika. Madankollu, huwa preċiżament dan il-mekkaniżmu elettrokimiku ta 'inserzjoni u estrazzjoni li jagħmel il-kapaċità u d-densità tal-enerġija tal-batteriji tal-jone tal-litju dejjem aktar kapaċi jissodisfaw il-ħtiġijiet ta' xenarji ta 'applikazzjoni. F'termini ta 'materjali ta' elettrodi negattivi, il-materjali ta 'elettrodi negattivi ta' batteriji tal-jone tal-litju kummerċjali rappreżentati mill-grafita jużaw joni tal-litju biex jiddeinterkaljaw bejn saffi tal-grafita biex jaħdmu. Madankollu, is-siti tal-litju fil-grafita u l-ispazjar bejn is-saffi tal-grafita nnifisha huma limitati ħafna, u dan iġiegħel lill-batteriji tal-jone tal-litju jiffaċċjaw id-dilemma ta 'kapaċità insuffiċjenti u enerġija speċifika baxxa.

Batterija tal-grafen: irriżultat

Fi żmien meta n-nies jinsabu f'telf, ħareġ tip ġdid ta 'materjal tal-karbonju stilel-grafen! Il-grafina tista 'titqies bħala grafita b'saff wieħed, li għandha siti ta' interkalazzjoni tal-litju abbundanti, u għandha konduttività elettronika ultra-għolja u erja tal-wiċċ speċifika enormi. B'dan il-mod, il-grafina tista 'tissostitwixxi l-grafita biex tispara rivoluzzjoni fl-industrija tal-ħażna tal-enerġija? B'kapaċità għolja, densità għolja ta 'enerġija, u ċċarġjar mgħaġġel, m'għandekx dawn il-GG quot; Peach Blossom Springs" li n-nies ilhom isegwu direttament isiru realtà? ! Diversi midja bdew ukoll jirrapportaw dwar il-vantaġġi tal-batteriji tal-grafen u jagħmlu hype korrispondenti. Għal xi żmien, l-istokkijiet tal-kunċett relatati mal-batterija tal-grafen saru popolari. L-industrija tal-batteriji kollha tidher li ġiet imsawta. Kulħadd jistenna bil-ħerqa batteriji tal-grafen. Il-wasla taż-żminijiet.

Madankollu, dan huwa verament il-każ? Il-kontenut li ġej huwa prinċipalment mil-lat xjentifiku biex jinkixef il-velu tal-batterija misterjuża tal-grafina għal kulħadd (Nota: Il-batterija tal-grafen għadha ma għandhiex kunċett ċar, skont ir-rwol tal-grafina tista 'tinqasam bejn wieħed u ieħor fi grafina bħala addittiv konduttiv u grafita Hemm żewġ tipi ta 'ene bħala l-materjal ta' l-elettrodu negattiv. Dan l-artikolu jiddiskuti l-grafen bħala l-materjal ta 'l-elettrodu negattiv tal-batterija).

oriġini

Fl-2014, ir-Rapport Xjentifiku rrapporta xogħol fuq batteriji tal-litju tal-grafen kollu. F'din il-batterija tal-grafen kollu, l-elettrodu pożittiv huwa materjal tal-grafen funzjonalizzat fil-wiċċ, u l-elettrodu negattiv huwa ossidu tal-grafen imnaqqas. Il-batterija kollha tuża r-reazzjoni tal-wiċċ ta 'l-elettrodi pożittivi u negattivi, u għalhekk tista' tikseb ċarġ u skarika b'rata għolja ħafna. Id-densità tal-qawwa kkalkulata abbażi tal-massa ġenerali tal-elettrodu tista 'tilħaq 2150W / kg.

Mil-lat tad-densità tal-enerġija, il-batterija hija tabilħaqq promettenti, imma meta nerġgħu nħarsu lejn id-densità tal-enerġija, nistgħu nsibu li d-densità tal-enerġija kkalkulata abbażi tal-massa taż-żewġ elettrodi hija biss 130Wh / kg, li hija kapaċi biss biex tilħaq il-batterija tal-jone tal-litju eżistenti bbażata fuq il-kalkolu tal-massa tas-sistema (Id-densità tal-enerġija tas-sistema tal-batterija xafra BYD popolari reċentement hija 140Wh / kg;" Magħmula fiċ-Ċina 2025" tipproponi b'mod ċar li d-densità tal-enerġija waħda tal-vettura -il-batteriji tal-enerġija mmuntati għandhom jilħqu 300Wh / kg sal-2020). Jekk tkun integrata f'sistema ta 'batteriji, id-densità tal-massa tal-enerġija tagħha tiġi mnaqqsa b'ħames sa sittin fil-mija oħra. Barra minn hekk, il-materjali ta 'l-elettrodi pożittivi u negattivi ta' din il-batterija tal-grafina kollha ma fihomx litju, għalhekk pre-litjazzjoni elettrokimika fin-nofs ċellula għandha ssir qabel ma tqabbel f'batterija sħiħa. Meta tħares lejha b'dan il-mod, il-batteriji tal-grafen jistgħu jkunu l-ewwel li jiżviluppaw f'xenarji ta 'enerġija għolja, iżda d-densità tal-enerġija tagħhom għadha' l bogħod mill-aspettattivi tan-nies'

Allura fit-teorija, il-grafen jista 'jintuża bħala materjal ta' elettrodu negattiv għal batteriji bħall-grafita? Il-mekkaniżmu tal-inserzjoni tal-litju huwa l-istess bħall-grafita? X'inhi l-kapaċità teoretika tal-ħażna tal-litju tagħha? Ħafna riċerkaturi jemmnu li minħabba li l-grafina għandha żewġ naħat li jistgħu jassorbu l-atomi tal-litju, tista 'tifforma fażi doppja tal-litju ta' Li2C6 u għandha kapaċità speċifika doppja ta '744 mAh / g. Hemm ħafna riċerki dwar dawn il-kwistjonijiet. Xi riċerkaturi użaw kalkoli DFT biex isibu li l-atomi tal-litju ma jistgħux jiġu assorbiti direttament fuq il-wiċċ tal-grafina. Jistgħu jiddaħħlu biss bejn saffi tal-grafen jew fin-nofs tal-grafen u s-sottostrat permezz tat-truf jew difetti ta 'ordni għolja. Allura f'dan il-każ, huwa deinterkalazzjoni jew adsorbiment, u kemm l-atomi tal-Li jistgħu jinħażnu?

Għebet

Bi tweġiba għal din il-problema, il-Professur Assoċjat Ji Kemeng tal-Università ta ’Tianjin irrapporta r-riċerka tiegħu dwar il-mekkaniżmu tal-interkalazzjoni tal-litju tal-grafina b’żewġ saffi fil-Komunikazzjonijiet tan-Natura fl-2019. materjal b'wiċċ speċifiku għoli. Dan il-materjal m'għandux għalfejn jitwaħħal mas-sottostrat u għandu ftit difetti, għalhekk l-influwenza tas-sottostrat u d-difetti fuq l-assorbiment jew id-deinterkalazzjoni tal-joni tal-litju jistgħu jiġu eliminati, li huwa ta 'benefiċċju għall-istudju tal-mekkaniżmu tad-deinterkalazzjoni tal-litju grafen innifsu. Testijiet ta 'ċarġ ta' ċarġ ta 'kurrent kostanti u kurvi ta' voltametrija ċiklika juru li grafina b'saff doppju għandha l-istess reazzjoni elettrokimika ta 'tnaqqis ta' ossidazzjoni bħal elettrodi konvenzjonali tal-grafita, u joni tal-litju huma deinterkalati bejn iż-żewġ folji tal-grafina. L-ispazjar tas-saff tal-grafen huwa l-uniku spazju għall-ħażna tal-litju, u l-idea li tassorbi u taħżen il-litju qed tegħleb waħedha! Hemm ukoll fenomenu notevoli. Il-kapaċità massima tal-grafina b'saff doppju hija biss 180 mAh / g fil-medda tad-densità tal-kurrent ta '0.2-50 A / g. Il-karatterizzazzjoni tal-fażi sussegwenti turi li l-kompożizzjoni stojkjometrika tal-fażi tal-ħażna tal-litju hija LiC12 u Il-LiC6 tal-elettrodu mhux tal-grafita mhuwiex l-hekk imsejħa fażi tal-Li2C6 tal-ħażna tal-litju doppja.

Dan ir-riżultat tar-riċerka juri li l-mudell tad-dominju ta 'Daumas-Hérold&# 39 huwa iktar adattat biex jiddeskrivi l-imġiba tal-ħażna tal-litju ta' elettrodi tal-grafita mill-mudell ta 'Rüdorff&# 39, u temm id-dibattitu ta' nofs seklu dwar il-mekkaniżmu tal-ħażna tal-litju ta ' grafit. Fl-istess ħin, il-kapaċità teoretika tal-ħażna tal-litju tal-grafina ġiet finalment ikkonfermata, u l-kapaċità teoretika ta '180mAh / g hija ferm inferjuri għall-kapaċità elettrokimika tal-ħażna tal-litju ta' l-anodu tal-grafita. Il-bużżieqa tal-batterija tal-grafen tinfaqa 'hi stess!

Traċċabilità

Allura, minn fejn ġejja l-kapaċità għolja tal-grafina rrappurtata f'ħafna dokumenti? Nafu li l-materjali tal-grafen li s-soltu jagħmlu n-nies mhumiex grafen relattivament pur bħal dak ta 'hawn fuq. Ħafna mill-grafeni li nistgħu niksbu huma sinjuri f’difetti (inklużi kemm id-difetti intrinsiċi tal-vakanza ta ’materjali tal-karbonju kif ukoll id-difetti kkawżati minn siti ta’ eteroatom introdotti apposta), u l-wiċċ huwa rikk f’varjetà ta ’gruppi funzjonali (bħal carboxyl, hydroxyl, Dawn il-gruppi huma faċli biex jinteraġixxu kimikament mal-litju, bħal gruppi epossi). Is-superpożizzjoni ta 'dawn il-fatturi u l-erja tal-wiċċ speċifika enormi tal-grafina nnifisha se tikkawża ammont kbir ta' litju biex ma tipparteċipax fir-reazzjoni elettrokimika fil-forma ta 'deinterkalazzjoni, iżda biex tikkontribwixxi għall-psewdokapaċità fil-forma ta' adsorbiment. Dawn l-effetti tal-psewdo-kapaċità jagħmluha tidher li l-kapaċità tal-grafina hija għolja ħafna u l-kinetika elettrokimika hija mgħaġġla, iżda dan għandu ftit effett fuq iż-żieda tad-densità tal-enerġija tal-batterija sħiħa. Barra minn hekk, is-siti ta 'reazzjoni abbundanti u l-kontenut ta' difett għoli jikkawżaw ukoll li l-litju attiv limitat ikun ikkunsmat kontinwament, u jirriżulta fi tnaqqis fl-effiċjenza coulombic, li hija fatali għall-istabbiltà tal-kapaċità tal-batterija sħiħa.

futur

Wara l-analiżi ta 'hawn fuq, il-grafen bħala materjal ta' elettrodu negattiv għall-batteriji huwa bla tama jekk irid jidħol f'eluf ta 'djar. Madankollu, dan ma jfissirx li l-grafen huwa inutli fil-qasam tal-ħażna tal-enerġija. Minbarra l-prestazzjoni tal-ħażna tal-litju, il-grafen innifsu għandu wkoll konduttività elettrika ultra għolja u konduttività termali eċċellenti. Iż-żewġ fatturi tal-elettriku u s-sħana għandhom rwol kruċjali fil-batteriji attwali. Speċjalment is-sħana, l-inċidenti tas-sigurtà tal-batterija kkaġunati minn runaway termali jistgħu saħansitra jagħmlu veto fuq bosta materjali ta 'elettrodi b'rendiment elettrokimiku eċċellenti. Jekk il-vantaġġi tal-konduttività kemm elettrika kif ukoll termali jiġu applikati għall-batterija, il-GG quot; batterija tal-grafen" jista 'jiddi wkoll.

Naturalment, bħala tip ta 'materjal maġiku, il-grafen ma jafx jekk hux se jġib rivoluzzjoni ġdida għall-batterija b'modi oħra? L-istess bħar-rapporti riċenti tal-midja minn sorsi mhux magħrufa, il-Mercedes-Benz qed tiżviluppa batterija organika bbażata fuq il-grafina. It-teknoloġija speċifika għadha ma ġietx żvelata. Xorta waħda, ikun mill-inqas 10 snin wara. Kemm jekk hi rivoluzzjoni ġdida jew bużżieqa ġdida, nistennew u naraw!

Fil-qosor, il-qasam tal-ħażna tal-enerġija, li jimmira lejn il-prattiċità, mhuwiex" tmur għall-istilel" ;. L-elettrodu negattiv tal-grafen teoretikament fattibbli jeħtieġ kundizzjonijiet ħorox wisq (grafen perfett). Fil-produzzjoni attwali, huwa meħtieġ li jitħallas prezz ta 'spiża għolja, li huwa kuntrarju għall-intenzjoni oriġinali li tiżdied id-densità tal-enerġija u jitnaqqsu l-ispejjeż tal-produzzjoni. X'inhu' aktar, il-fattibilità teoretika fl-aħħar ippruvat li mhix fattibbli. Id-darba d-dieħla se jkun hemm hype tal-midja dwar" batterija tal-grafen" ;, għandek iżżomm għajnejk miftuħa biex tara ċar