Baterías de grafeno: ¿un mito o una burbuja?

Desafíos que enfrentan las baterías de iones de litio

Durante las últimas dos décadas desde la llegada de las baterías de iones de litio, nuestro mundo y nuestra vida han traído cambios trascendentales. La alta energía específica y los requisitos de trabajo de alta potencia de los dispositivos de almacenamiento de energía, como los equipos electrónicos de consumo y los vehículos eléctricos, han hecho que las baterías de iones de litio existentes" subrayó" ;. La innovación de la tecnología de baterías se ha quedado muy atrás de la actualización de equipos electrónicos y se ha convertido en una limitación para la experiencia del usuario. El mayor cuello de botella.

Las baterías tradicionales de iones de litio se basan en la lanzadera de iones de litio activos entre los materiales positivos y negativos para lograr la conversión de energía química y energía eléctrica. Sin embargo, es precisamente este mecanismo electroquímico de inserción y extracción lo que hace que la capacidad y la densidad energética de las baterías de iones de litio sean cada vez más incapaces de satisfacer las necesidades de los escenarios de aplicación. En términos de materiales de electrodo negativo, los materiales de electrodo negativo de baterías comerciales de iones de litio representados por grafito utilizan iones de litio para desintercalar entre capas de grafito para trabajar. Sin embargo, los sitios de litio en el grafito y el espaciado entre capas del grafito en sí son muy limitados, lo que obliga a las baterías de iones de litio a enfrentar el dilema de capacidad insuficiente y baja energía específica.

Batería de grafeno: resultó

En un momento en que la gente está perdida, ha aparecido un nuevo tipo de material de carbono estelar: ¡el grafeno! El grafeno se puede considerar como un grafito de una sola capa, que tiene abundantes sitios de intercalación de litio, una conductividad electrónica ultra alta y una enorme superficie específica. De esta forma, ¿puede el grafeno reemplazar al grafito para detonar una revolución en la industria del almacenamiento de energía? Con alta capacidad, alta densidad de energía y carga rápida, no use estos" Peach Blossom Springs" que la gente ha estado persiguiendo directamente se convierta en realidad? ! Varios medios también han comenzado a informar sobre las ventajas de las baterías de grafeno y a hacer la publicidad correspondiente. Durante un tiempo, las existencias de conceptos relacionados con las baterías de grafeno se han vuelto populares. Toda la industria de las baterías parece haber sido derrotada. Todos esperan con ansias las baterías de grafeno. La llegada de los tiempos.

Sin embargo, ¿es este realmente el caso? El siguiente contenido es principalmente desde un punto de vista científico para descubrir el velo de la misteriosa batería de grafeno para todos (Nota: la batería de grafeno aún no tiene un concepto claro, de acuerdo con el papel del grafeno se puede dividir aproximadamente en grafeno como un aditivo conductor y grafito Hay dos tipos de ene como material de electrodo negativo (Este artículo analiza el grafeno como material de electrodo negativo de la batería).

origen

En 2014, Scientific Report informó un trabajo sobre baterías de litio de grafeno. En esta batería totalmente de grafeno, el electrodo positivo es material de grafeno funcionalizado en la superficie y el electrodo negativo es óxido de grafeno reducido. Toda la batería utiliza la reacción superficial de los electrodos positivo y negativo, por lo que puede lograr una carga y descarga de velocidad súper alta. La densidad de potencia calculada en base a la masa total del electrodo puede alcanzar 2150 W / kg.

Desde el punto de vista de la densidad de energía, la batería es realmente prometedora, pero cuando miramos la densidad de energía nuevamente, podemos encontrar que la densidad de energía calculada en base a la masa de los dos electrodos es de solo 130 Wh / kg, lo cual es simplemente capaz para alcanzar la batería de iones de litio existente según el cálculo de la masa del sistema (la densidad de energía del sistema de la batería de hoja BYD recientemente popular es de 140Wh / kg;" Made in China 2025" propone claramente que la densidad de energía única del vehículo -las baterías eléctricas montadas deberían alcanzar los 300Wh / kg en 2020). Si está integrado en un sistema de baterías, su densidad de energía de masa se descontará entre otro cinco y un sesenta por ciento. Además, los materiales de los electrodos positivos y negativos de esta batería totalmente de grafeno no contienen litio, por lo que se debe realizar una pre-litiación electroquímica en la media celda antes de hacer coincidir una batería llena. Mirándolo de esta manera, las baterías de grafeno pueden ser las primeras en desarrollarse en escenarios de alta potencia, pero su densidad de energía aún está lejos de las expectativas de la gente GG.

Entonces, en teoría, ¿se puede usar el grafeno como material de electrodo negativo para baterías como el grafito? ¿El mecanismo de inserción de litio es el mismo que el del grafito? ¿Cuál es su capacidad teórica de almacenamiento de litio? Muchos investigadores creen que debido a que el grafeno tiene dos lados que pueden adsorber átomos de litio, puede formar una fase de litio dual de Li2C6 y tiene una capacidad específica doble de 744 mAh / g. Hay muchas investigaciones sobre estos temas. Algunos investigadores han utilizado cálculos de DFT para encontrar que los átomos de litio no se pueden adsorber directamente en la superficie del grafeno. Solo se pueden incrustar entre capas de grafeno o en el medio del grafeno y el sustrato a través de bordes o defectos de alto orden. Entonces, en este caso, ¿se trata de desintercalación o adsorción, y cuántos átomos de Li se pueden almacenar?

destrozado

En respuesta a este problema, el profesor asociado Ji Kemeng de la Universidad de Tianjin informó sobre su investigación sobre el mecanismo de intercalación de litio del grafeno de doble capa en Nature Communications en 2019.Utilizaron un método de deposición de vapor químico de conmutación de alta temperatura para preparar un grafeno de doble capa. material con una alta superficie específica. Este material no necesita estar adherido al sustrato y tiene pocos defectos, por lo que se puede eliminar la influencia del sustrato y los defectos en la adsorción o desintercalación de iones de litio, lo cual es beneficioso para el estudio del mecanismo de desintercalación del litio en el grafeno en sí. Las pruebas de carga-descarga de corriente constante y las curvas de voltamperometría cíclica muestran que el grafeno de doble capa tiene la misma reacción electroquímica de oxidación-reducción que los electrodos de grafito convencionales, y los iones de litio se desintercalan entre las dos hojas de grafeno. El espaciado de la capa de grafeno es el único espacio para el almacenamiento de litio, ¡y la idea de absorber y almacenar litio es contraproducente! También hay un fenómeno digno de mención. La capacidad máxima del grafeno de doble capa es de solo 180 mAh / g en el rango de densidad de corriente de 0,2 a 50 A / g. La caracterización de la fase posterior muestra que la composición estequiométrica de la fase de almacenamiento de litio es LiC12 y que el LiC6 del electrodo que no es de grafito no es la denominada fase Li2C6 de almacenamiento dual de litio.

El resultado de esta investigación muestra que el modelo de dominio de Daumas-Hérold&es más adecuado para describir el comportamiento de almacenamiento de litio de los electrodos de grafito que el modelo de Rüdorff GG, y ha terminado el debate de medio siglo sobre el mecanismo de almacenamiento de litio de grafito. Al mismo tiempo, finalmente se ha confirmado la capacidad teórica de almacenamiento de litio del grafeno, y la capacidad teórica de 180 mAh / g es muy inferior a la capacidad de almacenamiento electroquímico de litio del ánodo de grafito. ¡La burbuja de la batería de grafeno se revienta!

Trazabilidad

Entonces, ¿de dónde proviene la alta capacidad del grafeno reportada en muchos documentos? Sabemos que los materiales de grafeno que la gente suele fabricar no son grafeno relativamente puro como el anterior. Muchos de los grafenos que podemos obtener son ricos en defectos (incluidos los defectos de vacancia intrínsecos de los materiales de carbono y los defectos causados ​​por sitios de heteroátomos especialmente introducidos), y la superficie es rica en una variedad de grupos funcionales (como carboxilo, hidroxilo, Estos grupos son fáciles de interactuar químicamente con el litio, como los grupos epoxi). La superposición de estos factores y la enorme superficie específica del propio grafeno provocarán que una gran cantidad de litio no participe en la reacción electroquímica en forma de desintercalación, sino que contribuya a la pseudocapacitancia en forma de adsorción. Estos efectos de pseudocapacidad hacen que parezca que la capacidad del grafeno es muy alta y la cinética electroquímica es rápida, pero esto tiene poco efecto sobre el aumento de la densidad de energía de la batería llena. Además, los abundantes sitios de reacción y el alto contenido de defectos también harán que el litio activo limitado se consuma continuamente, dando como resultado una disminución en la eficiencia culómbica, que es fatal para la estabilidad de capacidad de la batería llena.

futuro

Después del análisis anterior, el grafeno como material de electrodo negativo para baterías es inútil si quiere ingresar a miles de hogares. Sin embargo, esto no significa que el grafeno sea inútil en el campo del almacenamiento de energía. Además del rendimiento de almacenamiento de litio, el grafeno en sí también tiene una conductividad eléctrica ultra alta y una conductividad térmica excelente. Los dos factores de la electricidad y el calor juegan un papel fundamental en las baterías reales. Especialmente el calor, los accidentes de seguridad de la batería inducidos por la fuga térmica pueden incluso vetar muchos materiales de electrodos con un excelente rendimiento electroquímico. Si se aplican a la batería las ventajas de la conductividad eléctrica y térmica, la batería de grafeno"" también puede brillar.

Eso sí, como una especie de material mágico, ¿el grafeno no sabe si traerá una nueva revolución a la batería de otras formas? Al igual que los informes recientes de los medios de comunicación de fuentes desconocidas, Mercedes-Benz está desarrollando una batería orgánica basada en grafeno. La tecnología específica aún no se ha revelado. De todos modos, será al menos 10 años después. Ya sea una nueva revolución o una nueva burbuja, ¡esperaremos y veremos!

En resumen, el campo del almacenamiento de energía, que apunta a la practicidad, no es&"persiguiendo estrellas GG". El electrodo negativo de grafeno teóricamente factible requiere condiciones demasiado duras (grafeno perfecto). En la producción real, es necesario pagar un alto precio de costo, que es contrario a la intención original de aumentar la densidad de energía y reducir los costos de producción. Lo que es más, la viabilidad teórica finalmente ha demostrado ser inviable. La próxima vez habrá exageración de los medios sobre&"batería de grafeno GG", tienes que mantener los ojos abiertos para ver con claridad.