Batris Graphene: Myth Neu Swigen?

Heriau sy'n wynebu batris lithiwm-ion

Dros y ddau ddegawd diwethaf ers dyfodiad batris lithiwm-ion, mae ein byd a'n bywyd wedi dod â newidiadau ysgwyd y ddaear. Mae gofynion gweithio ynni uchel a phwer uchel dyfeisiau storio ynni fel offer electronig defnyddwyr a cherbydau trydan wedi gwneud y batris lithiwm-ion presennol" quot&dan straen; Mae arloesedd technoleg batri wedi cwympo ymhell y tu ôl i uwchraddio offer electronig ac wedi dod yn gyfyngiad ar brofiad y defnyddiwr. Y dagfa fwyaf.

Mae batris lithiwm-ion traddodiadol yn seiliedig ar wennol ïonau lithiwm gweithredol rhwng y deunyddiau positif a negyddol i drosi egni cemegol ac egni trydanol. Fodd bynnag, yr union fecanwaith electrocemegol hwn o fewnosod ac echdynnu sy'n golygu nad yw gallu a dwysedd ynni batris lithiwm-ion yn gallu diwallu anghenion senarios cais yn gynyddol. O ran deunyddiau electrod negyddol, mae deunyddiau electrod negyddol batris lithiwm-ion masnachol a gynrychiolir gan graffit yn defnyddio ïonau lithiwm i ddadelfennu rhwng haenau graffit i weithio. Fodd bynnag, mae'r safleoedd lithiwm mewn graffit a bylchau interlayer graffit ei hun yn gyfyngedig iawn, sy'n gorfodi batris lithiwm-ion i wynebu'r cyfyng-gyngor o gapasiti annigonol ac egni penodol isel.

Batri graphene: wedi'i droi allan

Ar adeg pan mae pobl ar golled, mae math newydd o ddeunydd carbon-graphene seren wedi dod allan! Gellir ystyried graphene fel graffit un haen, sydd â digonedd o safleoedd rhyng-gysylltiad lithiwm, ac mae ganddo ddargludedd electronig uwch-uchel ac arwynebedd penodol enfawr. Yn y modd hwn, a all graphene ddisodli graffit i ffrwydro chwyldro yn y diwydiant storio ynni? Gyda chynhwysedd uchel, dwysedd ynni uchel, a chodi tâl cyflym, peidiwch â' t y quot&hyn; quot Peach Blossom Springs GG; bod pobl wedi bod yn mynd ar drywydd dod yn realiti yn uniongyrchol? ! Mae cyfryngau amrywiol hefyd wedi dechrau adrodd ar fanteision batris graphene a gwneud hype cyfatebol. Am gyfnod, mae stociau cysyniad cysylltiedig â batri graphene wedi dod yn boblogaidd. Mae'n ymddangos bod y diwydiant batri cyfan wedi'i guro. Mae pawb yn edrych ymlaen at fatris graphene. Dyfodiad yr amseroedd.

Fodd bynnag, a yw hyn yn wir mewn gwirionedd? Daw'r cynnwys a ganlyn yn bennaf o safbwynt gwyddonol i ddatgelu gorchudd y batri graphene dirgel i bawb (Sylwer: Nid oes cysyniad clir eto i batri Graphene, yn ôl rôl graphene gellir ei rannu'n fras yn graphene fel ychwanegyn dargludol a graffit Mae dau fath o ene fel y deunydd electrod negyddol. Mae'r erthygl hon yn trafod graphene fel deunydd electrod negyddol y batri).

tarddiad

Yn 2014, adroddodd Scientific Report waith ar fatris lithiwm holl-graphene. Yn y batri holl-graphene hwn, mae'r electrod positif yn ddeunydd graphene wedi'i swyddogaetholi ar yr wyneb, ac mae'r electrod negyddol yn llai o ocsid graphene. Mae'r batri cyfan yn defnyddio adwaith arwyneb yr electrodau positif a negyddol, felly gall gyflawni gwefr a rhyddhau cyfradd uwch-uchel. Gall y dwysedd pŵer a gyfrifir yn seiliedig ar fàs cyffredinol yr electrod gyrraedd 2150W / kg.

O safbwynt dwysedd pŵer, mae'r batri yn addawol yn wir, ond pan edrychwn ar y dwysedd egni eto, gallwn ddarganfod mai dim ond 130Wh / kg yw'r dwysedd egni a gyfrifir yn seiliedig ar fàs y ddau electrod, sy'n gallu gwneud hynny. i gyrraedd y batri lithiwm-ion presennol yn seiliedig ar gyfrifiad màs y system (Dwysedd ynni system y batri llafn BYD poblogaidd yn ddiweddar yw 140Wh / kg; dyfyniad GG; Wedi'i wneud yn Tsieina 2025" mae'n amlwg yn cynnig bod dwysedd ynni sengl y cerbyd dylai batris pŵer â maint gyrraedd 300Wh / kg erbyn 2020). Os caiff ei integreiddio i system batri, bydd ei ddwysedd ynni màs yn cael ei ostwng gan bump i chwe deg y cant arall. Ar ben hynny, nid yw deunyddiau electrod positif a negyddol y batri holl-graphene hwn yn cynnwys lithiwm, felly mae'n rhaid cyflawni cyn-lithiad electrocemegol yn yr hanner cell cyn paru i mewn i fatri llawn. O edrych arno fel hyn, efallai mai batris graphene fydd y cyntaf i ddatblygu mewn senarios pŵer uchel, ond mae eu dwysedd ynni yn dal i fod ymhell o ddisgwyliadau pobl' s.

Felly mewn theori, a ellir defnyddio graphene fel deunydd electrod negyddol ar gyfer batris fel graffit? A yw'r mecanwaith mewnosod lithiwm yr un peth â graffit? Beth yw ei allu storio damcaniaethol lithiwm? Mae llawer o ymchwilwyr yn credu, oherwydd bod gan graphene ddwy ochr sy'n gallu adsorbio atomau lithiwm, y gall ffurfio cyfnod lithiwm deuol o Li2C6 ac mae ganddo gapasiti penodol dwbl o 744 mAh / g. Mae yna lawer o ymchwiliadau i'r materion hyn. Mae rhai ymchwilwyr wedi defnyddio cyfrifiadau DFT i ddarganfod na ellir adsorbed atomau lithiwm yn uniongyrchol ar wyneb graphene. Dim ond rhwng haenau graphene neu yng nghanol graphene a swbstrad y gellir eu hymgorffori trwy ymylon neu ddiffygion trefn uchel. Felly yn yr achos hwn, ai dadelfennu neu arsugniad ydyw, a faint o atomau Li y gellir eu storio?

Chwalwyd

Mewn ymateb i'r broblem hon, nododd yr Athro Cysylltiol Ji Kemeng o Brifysgol Tianjin ei ymchwil ar fecanwaith rhyng-gysylltiad lithiwm graphene haen ddwbl yn Nature Communications yn 2019. Fe wnaethant ddefnyddio dull dyddodi anwedd cemegol newid tymheredd uchel i baratoi graphene haen ddwbl i baratoi graphene haen ddwbl. deunydd ag arwyneb penodol uchel. Nid oes angen atodi'r deunydd hwn i'r swbstrad ac nid oes ganddo lawer o ddiffygion, felly gellir dileu dylanwad y swbstrad a diffygion ar arsugniad neu ddadelfennu ïonau lithiwm, sy'n fuddiol i'r astudiaeth o fecanwaith dadelfennu lithiwm i mewn graphene ei hun. Mae profion rhyddhau gwefr cyfredol cyson a chromliniau foltammetreg cylchol yn dangos bod gan graphene haen ddwbl yr un adwaith lleihau ocsidiad electrocemegol ag electrodau graffit confensiynol, ac mae ïonau lithiwm yn cael eu dadgysylltu rhwng y ddwy ddalen graphene. Bylchau haen graphene yw'r unig le ar gyfer storio lithiwm, ac mae'r syniad o amsugno a storio lithiwm yn hunan-drechu! Mae yna ffenomen nodedig hefyd. Dim ond 180 mAh / g yw capasiti graphene haen ddwbl yn yr ystod dwysedd gyfredol o 0.2-50 A / g. Mae'r nodweddiad cam dilynol yn dangos mai cyfansoddiad stoichiometrig y cyfnod storio lithiwm yw LiC12 ac nid LiC6 yr electrod nad yw'n graffit yw'r cyfnod storio lithiwm deuol Li2C6, fel y'i gelwir.

Mae'r canlyniad ymchwil hwn yn dangos bod model parth Daumas-Hérold' s yn fwy addas ar gyfer disgrifio ymddygiad storio lithiwm electrodau graffit na model Rüdorff' s, ac mae wedi dod â'r ddadl hanner canrif ar fecanwaith storio lithiwm i ben graffit. Ar yr un pryd, mae gallu storio lithiwm damcaniaethol graphene wedi'i gadarnhau o'r diwedd, ac mae gallu damcaniaethol 180mAh / g yn llawer israddol i gynhwysedd storio lithiwm electrocemegol yr anod graffit. Mae'r swigen batri graphene yn byrstio'i hun!

Olrheiniadwyedd

Felly, o ble mae'r gallu uchel o graphene a adroddir mewn llawer o ddogfennau yn dod? Rydym yn gwybod nad yw'r deunyddiau graphene y mae pobl fel arfer yn eu gwneud yn graphene cymharol bur fel yr uchod. Mae llawer o'r graphenau y gallwn eu cael yn gyfoethog o ddiffygion (gan gynnwys diffygion gwag cynhenid ​​deunyddiau carbon a'r diffygion a achosir gan safleoedd heteroatom a gyflwynwyd yn arbennig), ac mae'r wyneb yn gyfoethog mewn amrywiaeth o grwpiau swyddogaethol (megis carboxyl, hydrocsyl, Mae'r grwpiau hyn yn hawdd rhyngweithio'n gemegol â lithiwm, fel grwpiau epocsi). Bydd arosodiad y ffactorau hyn ac arwynebedd arwyneb penodol enfawr graphene ei hun yn achosi i lawer iawn o lithiwm beidio â chymryd rhan yn yr adwaith electrocemegol ar ffurf dadelfennu, ond i gyfrannu at y ffug-gyflyriad ar ffurf arsugniad. Mae'r effeithiau ffug-effaith hyn yn ei gwneud hi'n ymddangos bod y gallu graphene yn uchel iawn a'r cineteg electrocemegol yn gyflym, ond nid yw hyn yn cael fawr o effaith ar gynnydd dwysedd ynni'r batri llawn. Ar ben hynny, bydd y safleoedd adweithio toreithiog a chynnwys diffyg uchel hefyd yn achosi i'r lithiwm gweithredol cyfyngedig gael ei yfed yn barhaus, gan arwain at ostyngiad yn yr effeithlonrwydd coulombig, sy'n angheuol i sefydlogrwydd cynhwysedd y batri llawn.

dyfodol

Ar ôl y dadansoddiad uchod, mae graphene fel deunydd electrod negyddol ar gyfer batris yn anobeithiol os yw am fynd i mewn i filoedd o aelwydydd. Fodd bynnag, nid yw hyn yn golygu bod graphene yn ddiwerth ym maes storio ynni. Yn ogystal â pherfformiad storio lithiwm, mae gan graphene ei hun hefyd ddargludedd trydanol uwch-uchel a dargludedd thermol rhagorol. Mae dau ffactor trydan a gwres yn chwarae rhan ganolog mewn batris go iawn. Yn enwedig gwres, gall damweiniau diogelwch batri a achosir gan ffo thermol hyd yn oed roi feto ar lawer o ddeunyddiau electrod sydd â pherfformiad electrocemegol rhagorol. Os cymhwysir manteision dargludedd trydanol a thermol i'r batri, bydd y" graphene batri" gall hefyd ddisgleirio.

Wrth gwrs, fel math o ddeunydd hudol, nid yw graphene yn gwybod a fydd yn dod â chwyldro newydd i'r batri mewn ffyrdd eraill? Yn union fel yr adroddiadau cyfryngau diweddar o ffynonellau anhysbys, mae Mercedes-Benz yn datblygu batri organig wedi'i seilio ar graphene. Nid yw'r dechnoleg benodol wedi'i datgelu eto. Beth bynnag, bydd o leiaf 10 mlynedd yn ddiweddarach. P'un a yw'n chwyldro newydd neu'n swigen newydd, byddwn yn aros i weld!

Yn fyr, nid yw'r maes storio ynni, sy'n anelu at ymarferoldeb, yn" mynd ar ôl sêr". Mae'r electrod graphene negyddol sy'n ddichonadwy yn ddamcaniaethol yn gofyn am amodau rhy llym (graphene perffaith). Mewn cynhyrchu gwirioneddol, mae angen talu pris cost uchel, sy'n groes i'r bwriad gwreiddiol o gynyddu dwysedd ynni a lleihau costau cynhyrchu. Yn fwy na' s yn fwy, profwyd nad yw'r dichonoldeb damcaniaethol o'r diwedd yn ymarferol. Y tro nesaf bydd hype cyfryngau ynglŷn â" batri graphene", mae'n rhaid i chi gadw'ch llygaid ar agor i weld yn glir