Welche Rolle spielt Graphen in Lithiumbatterien?

Die Leistung von Graphen ist zweifellos ausgezeichnet, aber ist es für Lithium-Ionen-Batterien geeignet? Derzeit ist die auf dem Markt behauptete "Graphenbatterie" ein ungenaues Konzept. Um genau zu sein, ist es im Grunde genommen, dem Material ein wenig Graphen zuzusetzen, um die Leistung der Lithiumbatterie zu verbessern, die als Lithiumionenbatterie auf Graphenbasis bezeichnet werden kann. Es ist nicht ausgeschlossen, dass Graphen als negatives Elektrodenmaterial zur Herstellung von Lithiumbatterien oder Superkondensatoren im Labor verwendet wird, aber die Anforderungen sind relativ hoch. Zusammenfassend kann Graphen als Gewürz für Lithiumbatterien verwendet werden, ist jedoch nicht als Hauptmaterial geeignet.

1. Struktur und Eigenschaften von Graphen

Physikalische Struktur: Graphen ist ein flacher Film mit einer einzelnen Atomschicht aus Kohlenstoffatomen. Seine Dicke beträgt nur 0,34 Nanometer. Die Dicke einer einzelnen Schicht entspricht 1/150.000 des Durchmessers eines menschlichen Haares. Es ist das dünnste und härteste Nanometer-Material der Welt mit guter Lichtdurchlässigkeit und Faltfähigkeit. Da es nur eine Atomschicht gibt, sind die Elektronen auf eine einzige Ebene beschränkt, und Graphen hat ganz neue elektrische Eigenschaften. Die spezifische Oberfläche von Graphen betrug etwa 2630 m² / g und die Wärmeleitfähigkeit betrug 5000 W / m & Punkt. K. K.

Elektrische Eigenschaften: Graphen hat einzigartige Trägereigenschaften und masselose Dirac-Fermion-Eigenschaften. Seine elektronische Mobilität kann 2 x 105 cm2 / v. S erreichen, was etwa dem 140-fachen der Elektronenmobilität in Silizium, dem 20-fachen Galliumarsenid, der hohen Temperaturstabilität und der elektrischen Leitfähigkeit von bis zu 108 Ω / m entspricht. Der Oberflächenwiderstand beträgt etwa 31 Ω / sq (310 Ω / m2), niedriger als Kupfer oder Silber, ist die beste Materialleitfähigkeit bei Raumtemperatur.

Zusätzlich kann der halb ganzzahlige Quanten-Hall-Effekt von Elektronenträgern und Lochträgern in Graphen beobachtet werden, indem das chemische Potential durch die Wirkung eines elektrischen Feldes geändert wird, während Novoselov et al. beobachtete diesen Quanten-Hall-Effekt von Graphen bei Raumtemperatur.

2 Graphen in Lithiumbatterien

Es ist wegen Graphen mit Nanometergrößeneffekt der oben genannten, hat eine große spezifische Oberfläche, gute elektrische Leitfähigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie Graphen, das von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt umfassend erforscht wurde, und hat ein "Graphen-Lithium-Batterie" -Konzept entwickelt. Welche Rolle spielt Graphen in der Lithiumbatterie?

Negatives Material

Aufgrund seiner einzigartigen zweidimensionalen Struktur, seiner hervorragenden elektronischen Übertragungskapazität und seiner großen spezifischen Oberfläche hat Graphen ein großes Potenzial, Graphit als neue Generation von Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien zu ersetzen. Der Lithiumspeichermechanismus von Graphen ähnelt dem anderer Kohlenstoffmaterialien. Lithiumionen werden während des Ladens vom positiven Pol getrennt und durch einen Elektrolyten gebildet, der in die Zwischenschicht aus Kohlenstoffmaterial eingebettet ist, um Li2C6 zu bilden. Lithiumionen werden abgetrennt und während der Entladung zum positiven Pol zurückgeführt. Aufgrund der speziellen zweidimensionalen Struktur von Graphen können beide Seiten des Graphens Lithiumionen speichern, wenn der Schichtabstand größer als 0,7 nm ist. Gleichzeitig kann aufgrund des Vorhandenseins von plissiertem Graphen auch Lithium gespeichert werden. Daher kann die theoretische Kapazität von Graphen doppelt so hoch sein wie die von Graphit, höher als 744 mAh / g.

Darüber hinaus hat Graphen meist eine Mikro-Nano-Größe, die viel kleiner als Bulk-Graphit ist, wodurch der Diffusionsweg von Li-Ionen kürzer wird, und der Abstand zwischen Graphenschichten ist normalerweise viel größer als der von Graphit, der auch mehr Kanäle für bereitstellt die Übertragung von Lithiumionen. Daher ist die Verwendung von Graphen als negative Elektrode im Vergleich zu Graphit förderlicher für die Verbesserung der Batterieleistung. Seit das Konzept der Graphenbatterie vorgeschlagen wurde, haben viele akademische Studien gezeigt, dass die reversible Kapazität der Graphenlithiumbatterie über 500 mAh / g erreichen kann und eine hervorragende Multiplikatorleistung aufweist. Die unter Laborbedingungen hergestellte elektronegative Lithiumelektrode verwendet meistens das CVD-Verfahren, die Hydrazinhydratreduktion, die Vakuumfiltration und das Gefriertrocknungsverfahren, um Graphen herzustellen, das entweder schuppig oder hohlkugelförmig ist.

2. Graphen ACTS als leitfähiges Mittel

Die Hauptaufgabe des leitenden Mittels besteht darin, die elektronische Leitfähigkeit zu verbessern, da der Elektrolyt eine Ionenleitfähigkeit aufweist und Elektronen nicht leiten können. Das leitende Mittel soll daher den schnellen Durchgang von Elektronen durch das lebende Material zur Kollektorflüssigkeit fördern. Zusätzlich kann das leitende Mittel auch die Verarbeitung der Elektrodenfolie verbessern, die Infiltration von Elektrolyt auf der Elektrodenfolie fördern, den spezifischen Widerstand verringern, um die Lebensdauer der Lithiumbatterie zu verbessern.

Gegenwärtig umfassen die üblicherweise verwendeten leitfähigen Mittel SP und Acetylenschwarz usw. Der traditionelle Ruß ist kugelförmig, was wahrscheinlicher ist, dass er gleichmäßig mit der lebenden Substanz gemischt wird. Die Kontaktform ist jedoch ein Punktkontakt, der das Spiel der leitenden Rolle begrenzt und die Menge des leitenden Mittels erhöht. Graphen ist jedoch eine Schichtstruktur mit Punkt-zu-Oberfläche-Kontakt mit dem aktiven Material, die die Rolle des leitenden Mittels maximieren und die Menge des leitenden Mittels verringern kann, um mehr aktives Material zu verwenden und die Kapazität der Lithiumbatterie zu verbessern . Graphen in Blättern ist jedoch auch ein Nachteil. Graphenschichten sind schwieriger in Lösungsmitteln zu dispergieren und agglomerieren eher zusammen. Stattdessen müssen wir die Menge an Graphen erhöhen, die wir verwenden. Gleichzeitig ist seine Lamellenstruktur der Diffusion von Lithiumionen nicht förderlich, was zu einem erhöhten Innenwiderstand der Zelle und einem beschleunigten Batterieausfall führt.

Theoretisch kann die ultraschnelle Leitfähigkeit von Graphen die Multiplikatorleistung der Batterie verbessern. Tatsache ist jedoch, dass das Ergebnis einer Graphen-Einzelschicht die Diffusion von Lithiumionen behindert, insbesondere beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit. Die Polarisation im Inneren der Batterie nimmt zu und die Entladekapazität der Batterie nimmt ab. Relevante Studien haben gezeigt, dass eine teilweise Substitution von leitendem Ruß durch Graphen die Menge an leitendem Mittel verringern und die Energiedichte der Batterie unter der Bedingung einer Entladung mit niedriger Rate bis zu einem gewissen Grad verbessern kann.

3. Industrialisierungsprozess der Graphen-Lithium-Batterie

Erfolgreiche Beispiele für Graphenanodenmaterialien und Graphenleitmittel, die unter Labor- und Forschungs- und Entwicklungsbedingungen hergestellt wurden, haben eine solide wissenschaftliche Forschungsgrundlage für die Herstellung von Graphen-Lithium-Ionen-Batterien in der industriellen Produktion geschaffen. Wie ist die Situation von Graphen-Lithium-Ionen-Batterien in der Realität?

Das erste Produkt ist der "König von Ene", der 2016 von Dong XU auf den Markt gebracht wurde. Am 8. Juli 2016 veranstaltete East Light in Diaoyutai eine Produkteinführung von Lithium-Ionen-Batterien auf Graphenbasis und die weltweit erste Lithium-Ionen-Batterie auf Graphenbasis Produkt - "König von Ene".

Das zweite Produkt ist die branchenweit erste von huawei im Dezember 2016 auf den Markt gebrachte hochtemperatur- und langlebige graphenunterstützte Lithiumbatterie. Durchbrüche der graphengestützten Hochtemperatur-Lithiumionenbatterietechnologie beruhen hauptsächlich auf drei Aspekten: dem Hinzufügen spezieller Additive zum Elektrolyten Spurenwasser entfernen und Zersetzung des Elektrolyten bei hohen Temperaturen vermeiden; Die positive Elektrode der Batterie besteht aus modifiziertem großen ternären Einkristallmaterial, um die thermische Stabilität des Materials zu verbessern. Gleichzeitig kann durch die Verwendung neuer Materialien wie Graphen, Lithium-Ionen-Batterien und der Umwelt eine effiziente Wärmeableitung erreicht werden.

Das dritte Produkt ist die "Haushaltsgraphenbatterie" von Dongxu photoelectric und am besten, wie von den Medien erwähnt. Tatsache ist, dass Graphen auf dem Diaphragma verwendet wird ...

Natürlich gibt es auf dem Markt eine Vielzahl von Patenten für Graphen-lithium-batterien, jedoch nur in der Patentphase. Samsung, Panasonic, LG und andere haben alle Graphen-bezogene Patentanmeldungen. Derzeit gibt es keine Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien auf Graphenbasis auf dem Markt.

4. Zusammenfassend

Die Leistung von Graphen ist zweifellos ausgezeichnet, aber ist es für Lithium-Ionen-Batterien geeignet? Kurz gesagt, Graphen ist nicht für Lithium-Ionen-Batterien geeignet. Hier einige Überlegungen:

1. Kosten

Die Kosten für die Verwendung von Graphen als leitfähiges Mittel sind viel höher als die von gewöhnlichem Ruß. Die Kosten für Lithiumbatterien sind ein entscheidender Kontrollfaktor, der die Rohstoffkosten nicht senkt. Selbst wenn die elektrischen Eigenschaften von Graphen gut sind, können die Batteriehersteller die Kosten für Hunderttausende Tonnen Batterien nicht nutzen.

2. Prozessprobleme

Das technologische Hauptproblem, das durch die Flockenstruktur von Graphen verursacht wird, ist die Herstellung einer Elektrodenaufschlämmung. Die Elektrodenaufschlämmung sollte eine gute Fließfähigkeit, Dispergierbarkeit und geeignete Viskosität aufweisen. Die Dispersion von Blattgraphen in der Elektrodenaufschlämmung ist ein schwieriges Problem, insbesondere da die Aufschlämmung nicht durch Zugabe von Dispergiermitteln dispergiert werden kann. Die Oberfläche von Graphen ist sehr groß, was einen großen Einfluss auf die Absetzstabilität der Aufschlämmung hat, und die Konsistenz jeder Charge kann nicht garantiert werden, was sich auf die Batterieleistung auswirkt.

3. Andere Faktoren

Die Flockenstruktur von Graphen hemmt die Diffusion von Lithiumionen, was wahrscheinlich zu einer starken Batteriepolarisation und einer geringeren Batteriekapazität führt. Die reichen funktionellen Gruppen auf der Graphenoberfläche sind kleine Wunden auf der Graphenoberfläche. Übermäßige Zugabe verringert nicht nur die Energiedichte der Batterie, sondern erhöht auch die vom Elektrolyten absorbierte Flüssigkeitsmenge. Andererseits werden die Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten verstärkt, was die Zirkularität beeinträchtigt und sogar Sicherheitsprobleme verursachen kann.

Derzeit ist die auf dem Markt behauptete "Graphenbatterie" ein ungenaues Konzept. Um genau zu sein, muss dem Material im Wesentlichen ein wenig Graphen zugesetzt werden, um die Leistung einiger Lithiumbatterien zu verbessern. Es kann als Lithium-Ionen-Batterie auf Graphenbasis bezeichnet werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass Graphen als negatives Elektrodenmaterial zur Herstellung von Lithiumbatterien oder Superkondensatoren im Labor verwendet wird, aber die Anforderungen sind relativ hoch. Zusammenfassend kann Graphen als Gewürz für Lithiumbatterien verwendet werden, ist jedoch nicht als Hauptmaterial geeignet.

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