Grafen rafhlöður: goðsögn eða kúla?

Áskoranir sem litíumjónar rafhlöður standa frammi fyrir

Undanfarna tvo áratugi síðan litíumjónarafhlöður komu til hefur veröld okkar og líf valdið jarðskjálftabreytingum. Háar sértækar orku- og orkuvinnslukröfur orkubirgðabúnaðar eins og neytandi rafeindabúnaðar og rafknúinna ökutækja hafa gert núverandi litíum-rafhlöður" áherslu á" ;. Nýjung rafhlöðutækninnar hefur fallið langt á eftir uppfærslu rafeindabúnaðar og orðið takmörkun á upplifun notenda. Stærsti flöskuhálsinn.

Hefðbundin litíumjónarafhlöður eru byggðar á skutlu virkra litíumjóna milli jákvæðu og neikvæðu efnanna til að ná umbreytingu efnaorku og raforku. Hins vegar er það einmitt þessi rafefnafræðilegi aðferð við innsetningu og útdrátt sem gerir getu og orkuþéttleika litíumjónarafhlöðu í auknum mæli ófær um að uppfylla þarfir umsóknaraðstæðna. Hvað varðar neikvæð rafskautsefni nota neikvæðu rafskautsefni litíumjónar rafhlöður sem eru táknaðar með grafíti litíumjónir til að deintercalate milli grafítlaga til að vinna. Hins vegar eru staðir litíums í grafít og millilag grafitsins sjálfs mjög takmarkaðir, sem neyðir litíumjónarafhlöður til að takast á við ógönguna um ófullnægjandi getu og litla sérstaka orku.

Grafen rafhlaða: reyndist

Á sama tíma og fólk er með tap, hefur ný tegund af kolefni efni-grafen komið út! Líta má á grafen sem einslags grafít, sem hefur mikið litíum innrennslisstaði, og hefur ofurháa rafræna leiðni og mikið sérstakt yfirborðsflatarmál. Getur grafen komið í stað grafíts með þessum hætti til að sprengja byltingu í orkugeymsluiðnaðinum? Með mikla getu, mikla orkuþéttleika og hraðhleðslu, ekki' ekki þessar" Peach Blossom Springs" að fólk hafi verið að sækjast beint eftir orðið að veruleika? ! Ýmsir fjölmiðlar eru einnig byrjaðir að segja frá kostum grafen rafhlöða og gera samsvarandi efla. Um tíma hafa hugmyndabirgðir tengdar grafíni rafhlöðu orðið vinsælar. Allur rafgeymsluiðnaðurinn virðist hafa verið barinn. Allir hlakka til grafen rafhlöður. Koma tímanna.

Hins vegar er þetta virkilega raunin? Eftirfarandi innihald er aðallega frá vísindalegu sjónarhorni til að afhjúpa huluna dularfulla grafen rafhlöðunnar fyrir alla (Athugið: Grafen rafhlaða hefur ekki enn skýrt hugtak, í samræmi við hlutverk grafens er hægt að skipta gróflega í grafen sem leiðandi aukefni og grafít Það eru tvær tegundir af ena sem neikvæða rafskautsefnið. Þessi grein fjallar um grafen sem neikvætt rafskautaefni rafgeymisins).

uppruna

Árið 2014 var í vísindaskýrslu greint frá vinnu við litíum rafhlöður með öllu grafen. Í þessari rafrænu rafgeymi er jákvæða rafskautið grafískt efni með yfirborðsvirkni og neikvæða rafskautið minnkar grafenoxíð. Allt rafhlaðan notar yfirborðsviðbrögð jákvæðu og neikvæðu rafskautanna, þannig að hún getur náð hraðhleðslu og útskrift. Aflþéttleiki reiknaður út frá heildar rafskautsmassanum getur náð 2150W / kg.

Frá sjónarhóli aflþéttleika er rafhlaðan að vísu efnileg, en þegar við lítum á orkuþéttleikann aftur getum við komist að því að orkuþéttleiki reiknaður miðað við massa rafskautanna tveggja er aðeins 130Wh / kg, sem er bara fær til að ná núverandi litíumjónarafhlöðu byggt á útreikningi kerfismassa (Orkuþéttleiki nýlega vinsæll BYD blaðrafhlöðu er 140Wh / kg;" Framleitt í Kína 2025" leggur greinilega til að ein orkaþéttleiki ökutækis -settar rafhlöður ættu að ná 300Wh / kg fyrir árið 2020). Ef það er samþætt í rafhlöðukerfi verður massa orkuþéttleiki þess lækkaður um fimm til sextíu prósent til viðbótar. Þar að auki innihalda jákvæðu og neikvæðu rafskautsefnin í þessari alls grafen rafhlöðu ekki litíum, þannig að rafefnafræðileg forsteypa í hálffrumunni verður að fara fram áður en hún passar í fulla rafhlöðu. Þegar litið er á þetta þannig geta grafen rafhlöður verið þær fyrstu sem þróast í sviðsmyndum með mikilli afl, en orkuþéttleiki þeirra er samt langt frá væntingum'

Svo í orði, er hægt að nota grafen sem neikvætt rafskautsefni fyrir rafhlöður eins og grafít? Er kerfið við innsetningu litíums það sama og grafít? Hver er fræðileg geymslurými litíums? Margir vísindamenn telja að vegna þess að grafen hafi tvær hliðar sem geti aðsogað litíumatóm geti það myndað tvöfaldan litíumfasa Li2C6 og hafi tvöfalda sérstaka getu 744 mAh / g. Það eru margar rannsóknir á þessum málum. Sumir vísindamenn hafa notað DFT útreikninga til að komast að því að ekki er hægt að adsorfa litíum atóm á yfirborði grafens. Þeir geta aðeins verið felldir á milli grafínlaga eða í miðju grafens og undirlags í gegnum brúnir eða hágalla. Svo í þessu tilfelli, er það deintercalation eða aðsog, og hversu mörg Li atóm er hægt að geyma?

Mölbrotinn

Til að bregðast við þessu vandamáli tilkynnti dósent Ji Kemeng við Tianjin háskóla rannsóknir sínar á litíum millivegunarbúnaði tveggja laga grafens í Nature Communications árið 2019. Þeir notuðu háhitaskipta efnafræðilega gufuútfellingaraðferð til að útbúa tvöfalt lag grafen efni með hátt sérstakt yfirborð. Þetta efni þarf ekki að vera fest við undirlagið og hefur litla galla, þannig að hægt er að útrýma áhrifum undirlagsins og galla á aðsogi eða deintercalation litíumjóna, sem er gagnlegt fyrir rannsóknina á aðferðum deintercalation litíums í grafín sjálft. Prófanir á stöðugri hleðsluútskrift og hringlaga voltammetry ferlum sýna að tvöfalt lag grafen hefur sömu rafefnafræðilegu oxunar-minnkunar viðbrögð og hefðbundin grafít rafskaut og litíum jónir eru afgreindir á milli grafen blaðanna. Milli grafenslagsins er eina plássið fyrir geymslu litíums og hugmyndin um að gleypa og geyma litíum sigrar sjálfum sér! Það er líka athyglisvert fyrirbæri. Hámarksgeta tveggja laga grafens er aðeins 180 mAh / g á núverandi þéttleika bilinu 0,2-50 A / g. Eftirfarandi fasalýsing sýnir að stóíómetrísk samsetning litíums geymsluáfanga er LiC12 og LiC6 rafskautsins sem ekki er grafít er ekki svokallaður tvöfaldur litíum geymsla Li2C6 áfangi.

Þessi rannsóknarniðurstaða sýnir að lénlíkan Daumas-Hérold&# 39 er heppilegra til að lýsa litíum geymsluhegðun grafítrafskauta en líkan Rüdorff&# 39 og hefur endað hálfrar aldar umræður um litíum geymslukerfi grafít. Á sama tíma hefur fræðilega litíum geymslurými grafens loksins verið staðfest og fræðileg getu 180mAh / g er langtum lægri en rafefnafræðileg litíum geymslurými grafítskautsins. Grafen rafhlöðubólan springur sjálf!

Rekjanleiki

Svo, hvaðan kemur mikil getu grafens sem greint er frá í mörgum skjölum? Við vitum að grafenefnin sem fólk gerir venjulega eru ekki tiltölulega hrein grafen eins og að ofan. Margir af línuritunum sem við getum fengið eru ríkir af göllum (þar með talin bæði innri lausagalli kolefnisefna og gallar af völdum sérstaklega kynnts heteróatómstaða) og yfirborðið er ríkt af ýmsum virkum hópum (svo sem karboxýl, hýdroxýl, Auðvelt er að efnafræðilega í samspili þessara hópa við litíum, svo sem epoxýhópa). Yfirfelling þessara þátta og hið mikla sérstaka yfirborð grafensins sjálfs mun valda því að mikið magn af litíum tekur ekki þátt í rafefnafræðilegu viðbrögðum í formi deintercalation, heldur stuðlar að gerviþéttni í formi aðsogs. Þessi gerviaðferðaráhrif gera það að verkum að grafengetan er mjög mikil og rafefnafræðilegir hreyfigjafar eru fljótir, en þetta hefur lítil áhrif á aukningu orkuþéttleika fullrar rafhlöðu. Þar að auki, nóg viðbragðssvæði og mikið gallainnihald mun einnig valda því að takmarkað virkt litíum er neytt stöðugt, sem leiðir til lækkunar á skilvirkni coulombic, sem er banvæn fyrir getu stöðugleika fullrar rafhlöðu.

framtíð

Eftir greininguna hér að ofan er graflaust sem neikvætt rafskautsefni fyrir rafhlöður vonlaust ef það vill komast inn í þúsundir heimila. Þetta þýðir þó ekki að grafen sé gagnslaust á sviði orkugeymslu. Til viðbótar litíums geymsluafköstum hefur grafen sjálft einnig ofurháa rafleiðni og framúrskarandi hitaleiðni. Tveir þættir rafmagns og hita gegna lykilhlutverki í raunverulegum rafhlöðum. Sérstaklega hiti, öryggisslys rafhlöðu af völdum hitauppstreymis geta jafnvel beitt neitunarvaldi gegn mörgum rafskautaefnum með framúrskarandi rafefnafræðilegum árangri. Ef kostum bæði raf- og hitaleiðni er beitt á rafhlöðuna, er" grafen rafhlaða" getur líka skínað.

Auðvitað, sem eins konar töfraefni, veit grafen ekki hvort það muni koma nýrri byltingu í rafhlöðuna á annan hátt? Rétt eins og nýlegar fjölmiðlafréttir frá óþekktum aðilum er Mercedes-Benz að þróa lífræna rafhlöðu sem byggist á grafeni. Sértæk tækni hefur enn ekki verið gefin upp. Engu að síður, það verður að minnsta kosti 10 árum síðar. Hvort sem það er ný bylting eða ný kúla munum við bíða og sjá!

Í stuttu máli sagt, þá er orkugeymslan, sem miðar að hagkvæmni, ekki" elta stjörnur" ;. Fræðilega gerlegt grafen neikvætt rafskaut krefst of harkalegra aðstæðna (fullkomið grafen). Í raunverulegri framleiðslu er nauðsynlegt að greiða hátt kostnaðarverð, sem er andstætt upphaflegum ásetningi um að auka orkuþéttleika og lækka framleiðslukostnað. Það sem&# 39 er meira, fræðileg hagkvæmni hefur loksins reynst vera ekki framkvæmanleg. Næst þegar það verður fjölmiðlafár um" grafen rafhlöðu" ;, verður þú að hafa augun opin til að sjá skýrt