باتری های گرافن: یک افسانه یا یک حباب؟

چالش های پیش روی باتری های لیتیوم یون

طی دو دهه گذشته از ظهور باتری های لیتیوم یون ، جهان و زندگی ما تغییرات زمین لرزه ای را ایجاد کرده است. انرژی خاص بالا و نیازهای بالای کار در دستگاه های ذخیره انرژی مانند تجهیزات الکترونیکی مصرفی و وسایل نقلیه الکتریکی ، باتری های یون لیتیوم موجود را&ساخته است ؛&تاکید کرد :. نوآوری در فناوری باتری از ارتقا the تجهیزات الکترونیکی بسیار عقب مانده و به محدودیتی در تجربه کاربر تبدیل شده است. بزرگترین گلوگاه.

باتری های لیتیوم یون سنتی بر اساس شاتل یون های لیتیوم فعال بین مواد مثبت و منفی برای دستیابی به تبدیل انرژی شیمیایی و انرژی الکتریکی ساخته شده اند. با این حال ، دقیقاً همین مکانیسم الکتروشیمیایی درج و استخراج است که باعث می شود ظرفیت و چگالی انرژی باتری های یون لیتیوم به طور فزاینده ای نتواند پاسخگوی نیازهای سناریوهای کاربردی باشد. از نظر مواد الکترود منفی ، مواد الکترود منفی باتری های لیتیوم یون تجاری نشان داده شده توسط گرافیت از یون های لیتیوم استفاده می کنند تا بین لایه های گرافیت از بین برود. با این حال ، سایت های لیتیوم در گرافیت و فاصله بین لایه ای گرافیت بسیار محدود هستند ، که باتری های یونی لیتیوم را مجبور می کند تا با معضل ظرفیت کافی و انرژی خاص کم روبرو شوند.

باتری گرافن: مشخص شد

در زمانی که مردم در حال ضرر هستند ، نوع جدیدی از ماده کربنی ستاره ای - گرافن از آن خارج شده است! گرافن را می توان به عنوان یک گرافیت تک لایه در نظر گرفت که دارای مکانهای بینابینی لیتیوم فراوان است و دارای هدایت الکترونیکی فوق العاده بالا و سطح ویژه بسیار زیادی است. به این ترتیب ، آیا گرافن می تواند جایگزین گرافیت شود تا انقلابی در صنعت ذخیره انرژی ایجاد کند؟ با ظرفیت بالا ، چگالی انرژی بالا و شارژ سریع ،&# 39 را انتخاب نکنید ؛"؛ Peach Blossom Springs"؛ که مردم به طور مستقیم به واقعیت تبدیل شده اند؟ ! رسانه های مختلف نیز شروع به گزارش در مورد مزیت های باتری های گرافن و ایجاد هیاهوی مربوطه می کنند. مدتی است که سهام مفهومی مربوط به باتری گرافن محبوب شده اند. به نظر می رسد کل صنعت باتری مورد ضرب و شتم قرار گرفته است. همه منتظر باتری های گرافن هستند. آمدن روزگار.

با این حال ، آیا واقعاً اینگونه است؟ محتوای زیر عمدتا از نظر علمی برای کشف حجاب باتری گرافن مرموز برای همه است (توجه: باتری گرافن هنوز مفهوم روشنی ندارد ، با توجه به نقش گرافن می توان تقریباً به عنوان یک ماده افزودنی رسانا به گرافن تقسیم کرد و گرافیت دو نوع en به عنوان ماده الکترود منفی وجود دارد. این مقاله در مورد گرافن به عنوان ماده الکترود منفی باتری بحث می کند).

اصل و نسب

در سال 2014 ، گزارش علمی گزارشی از کار بر روی باتری های تمام گرافن لیتیوم را گزارش داد. در این باتری تمام گرافن ، الکترود مثبت ماده گرافن عملکردی سطح است و الکترود منفی اکسید گرافن کاهش یافته است. کل باتری از واکنش سطح الکترودهای مثبت و منفی استفاده می کند ، بنابراین می تواند به شارژ و دشارژ با سرعت بسیار بالا دست یابد. چگالی توان محاسبه شده بر اساس جرم الکترود کلی می تواند به 2150 وات بر کیلوگرم برسد.

از نظر چگالی توان ، باتری واقعاً امیدوار کننده است ، اما وقتی دوباره چگالی انرژی را بررسی می کنیم ، می توان دریافت که چگالی انرژی محاسبه شده بر اساس جرم دو الکترود فقط 130 وات ساعت بر کیلوگرم است که فقط قادر است رسیدن به باتری لیتیوم یون موجود بر اساس محاسبه جرم سیستم (چگالی انرژی سیستم باتری تیغه BYD که اخیراً محبوب شده است 140 وات ساعت / کیلوگرم است.&"ساخت کشور چین 2025 GG" ؛ به وضوح پیشنهاد می کند که چگالی انرژی واحد خودرو باتری های نصب شده باید تا سال 2020 به 300 وات ساعت / کیلوگرم برسند). اگر در سیستم باتری ادغام شود ، تراکم انرژی جرم آن پنج تا شصت درصد دیگر تخفیف می یابد. علاوه بر این ، مواد الکترود مثبت و منفی این باتری تمام گرافن حاوی لیتیوم نیست ، بنابراین قبل از لیتیشاسیون الکتروشیمیایی در نیمه سلول باید قبل از همسان سازی با باتری کامل انجام شود. با نگاهی به این روش ، باتری های گرافن ممکن است اولین کسانی باشند که در سناریوهای پرتوان تولید می شوند ، اما چگالی انرژی آنها هنوز دور از انتظارات&# 39 مردم نیست.

بنابراین در تئوری ، آیا می توان از گرافن به عنوان ماده الکترود منفی برای باتری مانند گرافیت استفاده کرد؟ آیا مکانیسم درج لیتیوم همان گرافیت است؟ ظرفیت ذخیره نظری لیتیوم آن چقدر است؟ بسیاری از محققان بر این باورند که از آنجا که گرافن دارای دو طرف است که می تواند اتم های لیتیوم را جذب کند ، می تواند یک فاز لیتیوم دوتایی Li2C6 را تشکیل دهد و دارای ظرفیت خاص دو برابر 744 میلی آمپر ساعت است. تحقیقات زیادی در مورد این موضوعات انجام شده است. برخی از محققان از محاسبات DFT استفاده کرده اند تا دریابند که اتمهای لیتیوم نمی توانند مستقیماً روی سطح گرافن جذب شوند. آنها فقط می توانند بین لایه های گرافن یا به وسط گرافن تعبیه شده و از طریق لبه ها یا نقص های مرتبه بالا ، زیرلایه قرار گیرند. بنابراین ، در این حالت ، ضد عفونی کننده است یا جذب ، و چند اتم Li می تواند ذخیره شود؟

متلاشی شد

در پاسخ به این مشکل ، دانشیار جی کمنگ از دانشگاه تیانجین تحقیقات خود را در مورد مکانیسم بینابینی لیتیوم گرافن دو لایه در ارتباطات طبیعت در سال 2019 گزارش کرد. آنها برای تهیه گرافن دو لایه از یک روش رسوب بخار شیمیایی سوئیچینگ در دمای بالا استفاده کردند. مواد با سطح خاص بالا. این ماده نیازی به اتصال به زیرلایه ندارد و نقص کمی دارد ، بنابراین می توان تأثیر بستر و نقص در جذب یا ضد عفونی یونهای لیتیوم را برطرف کرد ، که برای مطالعه مکانیزم ضد انعطاف پذیری لیتیوم در خود گرافن آزمایش های دشارژ شارژ جریان ثابت و منحنی ولتامتری چرخه ای نشان می دهد که گرافن دو لایه دارای واکنش کاهش اکسیداسیون الکتروشیمیایی همانند الکترودهای معمولی گرافیت است و یون های لیتیوم بین دو ورق گرافن تخلیه می شوند. فاصله لایه گرافن تنها فضایی برای ذخیره لیتیوم است و ایده جذب و ذخیره لیتیوم خود شکن است! همچنین یک پدیده قابل توجه وجود دارد. حداکثر ظرفیت گرافن دو لایه فقط 180 میلی آمپر ساعت در گرم در محدوده چگالی جریان 0.2-50 A / g است. توصیف فاز بعدی نشان می دهد که ترکیب استوکیومتری فاز ذخیره سازی لیتیوم LiC12 است و LiC6 الکترود غیر گرافیتی اصطلاحاً فاز Li2C6 ذخیره سازی لیتیوم دوگانه نیست.

این نتیجه تحقیق نشان می دهد که مدل دامنه Daumas-Hérold&# 39 برای توصیف رفتار ذخیره سازی لیتیوم الکترودهای گرافیتی مناسب تر از مدل Rüdorff&# 39 است و بحث نیم قرن در مورد مکانیسم ذخیره لیتیوم گرافیت در همان زمان ، ظرفیت ذخیره سازی نظری لیفتیم گرافن سرانجام تأیید شده است و ظرفیت نظری 180mAh / g بسیار پایین تر از ظرفیت ذخیره سازی لیتیوم الکتروشیمیایی آند گرافیت است. حباب باتری گرافن خودش می ترکد!

قابلیت ردیابی

بنابراین ، ظرفیت بالای گرافن گزارش شده در بسیاری از اسناد از کجا ناشی می شود؟ ما می دانیم که مواد گرافنی که مردم معمولاً درست می کنند مانند گرافن نسبتاً خالص نیستند. بسیاری از گرافنهایی که می توانیم بدست آوریم غنی از نقص هستند (از جمله نقص جای خالی ذرات کربن و نقص ناشی از سایتهای هترواتوم خاص) و سطح آن غنی از انواع مختلف گروههای عملکردی است (مانند کربوکسیل ، هیدروکسیل ، تعامل شیمیایی این گروه ها با لیتیوم آسان است ، مانند گروه های اپوکسی). برهم زدن این فاکتورها و سطح عظیم عظیم گرافن باعث می شود که مقدار زیادی لیتیوم در واکنش الکتروشیمیایی به صورت محلول زدایی شرکت نکند ، بلکه به عنوان ظرفیت جذب در شبه ظرفیت جذب می شود. این اثرات خازنی شبه باعث می شود که ظرفیت گرافن بسیار زیاد است و سینتیک الکتروشیمیایی سریع است ، اما این تأثیر کمی در افزایش تراکم انرژی باتری کامل دارد. علاوه بر این ، سایت های واکنش فراوان و محتوای نقص بالا نیز باعث می شود که لیتیوم فعال محدود به طور مداوم مصرف شود ، و در نتیجه باعث کاهش بازده کولنبیک شود ، که برای ثبات ظرفیت باتری کامل کشنده است.

آینده

پس از تجزیه و تحلیل فوق ، گرافن به عنوان یک ماده الکترود منفی برای باتری ها اگر بخواهد وارد هزاران خانوار شود ، ناامید کننده نیست. با این حال ، این بدان معنا نیست که گرافن در زمینه ذخیره انرژی بی فایده است. علاوه بر عملکرد ذخیره سازی لیتیوم ، گرافن نیز دارای هدایت الکتریکی فوق العاده بالا و هدایت حرارتی عالی است. دو عامل برق و گرما نقش اساسی در باتری های واقعی دارند. به خصوص گرما ، حوادث ایمنی باتری ناشی از فرار حرارتی حتی می تواند بسیاری از مواد الکترود را با عملکرد عالی الکتروشیمیایی وتو کند. اگر از مزایای هدایت الکتریکی و گرمایشی هر دو باتری استفاده شود ،"؛ باتری گرافن"؛ همچنین ممکن است بدرخشد.

البته ، به عنوان نوعی ماده جادویی ، گرافن نمی داند که آیا از راه های دیگر انقلابی جدید در باتری ایجاد می کند؟ درست مانند گزارش های اخیر رسانه ها از منابع ناشناخته ، مرسدس بنز در حال تولید یک باتری آلی مبتنی بر گرافن است. این فناوری خاص هنوز فاش نشده است. به هر حال حداقل 10 سال بعد می شود. خواه این یک انقلاب جدید باشد یا یک حباب جدید ، ما منتظر خواهیم ماند و خواهیم دید!

به طور خلاصه ، زمینه ذخیره انرژی ، که هدف عملی آن است ،&نیست ؛ دنبال کردن ستاره&است. الکترود منفی گرافن از نظر تئوریک به شرایط بسیار سختی نیاز دارد (گرافن کامل). در تولید واقعی ، پرداخت هزینه بالایی ضروری است که این مغایر با هدف اصلی افزایش چگالی انرژی و کاهش هزینه های تولید است. آنچه بیشتر از&# 39 است ، در نهایت ثابت شده است که امکان نظری غیرممکن است. دفعه بعدی رسانه ای در مورد&"اعتیاد به مواد مخدر" وجود دارد ؛ باتری گرافن" ؛ ، شما باید چشم خود را باز نگه دارید تا واضح ببینید