Die wichtige Rolle von Graphen in Lithium-Batterien

Die Leistung von Graphen ist zweifellos, aber ist es unbedingt für Lithium-Ionen-Batterien geeignet? Die derzeit auf dem Markt beanspruchte "Graphenbatterie" ist ein ungenaues Konzept. Genau genommen ist es im Grunde genommen, dem Material ein wenig Graphen zuzusetzen, um die Leistung der Lithiumbatterie zu verbessern. Es kann als Lithium-Batterie auf Graphenbasis bezeichnet werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass Graphen im Labor als negatives Elektrodenmaterial zur Herstellung von Lithiumbatterien oder Superkondensatoren 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, ein einatomiger Flachfilm aus Kohlenstoffatomen, hat eine Dicke von nur 0,34 nm und die Dicke einer einzelnen Schicht entspricht einem Fünftel des Haardurchmessers. Es ist das dünnste und härteste bekannte Nanomaterial der Welt. Es hat eine gute Lichtdurchlässigkeit und kann zusammengeklappt werden. Da es nur eine Atomschicht gibt, ist die Bewegung der Elektronen auf eine Ebene beschränkt, und Graphen hat auch neue elektrische Eigenschaften. Das Graphen hat eine spezifische Oberfläche von etwa 2630 m 2 / g und eine Wärmeleitfähigkeit von 5000 W / m; k.

Elektrische Eigenschaften: Graphen hat einzigartige Trägereigenschaften und eine masselose Dirac-Fermion-Eigenschaft. Seine Elektronenmobilität kann 2 × 105 cm2 / Vt erreichen; s, etwa 140-fache Elektronenmobilität in Silizium, 20-fache Galliumarsenid, Hochtemperaturstabilität, elektrische Leitfähigkeit bis zu 108 Ω / m und Oberflächenwiderstand betragen etwa 31 Ω. / sq (310 Ω / m2), niedriger als Kupfer oder Silber, ist bei Raumtemperatur das am besten leitende Material.

Zusätzlich kann der semi-Integer-Quanten-Hall-Effekt von Elektronenträgern und Lochträgern in Graphen beobachtet werden, indem das chemische Potential durch ein elektrisches Feld geändert wird, und Novoselov et al. beobachtete die Quantenhalle von Graphen bei Raumtemperatur. bewirken.

2. Die Rolle von Graphen in Lithiumbatterien

Es ist genau, weil Graphen den obigen Nanogrößeneffekt, eine große spezifische Oberfläche, eine gute elektrische Leitfähigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist. Graphen wurde von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt umfassend untersucht und hat "Graphen-Lithium-Batterien" hergestellt. Welche Rolle spielt Graphen in diesem Konzept bei Lithium-Batterien?

1) Anodenmaterial

Graphen kann aufgrund seiner einzigartigen zweidimensionalen Struktur, seiner hervorragenden Elektronentransportfähigkeit und seiner großen spezifischen Oberfläche Graphit als neue Generation von Anodenmaterialien für Lithium-Batterien ersetzen. Der Lithiumspeichermechanismus von Graphen ähnelt dem anderer Kohlenstoffmaterialien. Beim Laden werden Lithiumionen von der positiven Elektrode abgetrennt und durch die mit Elektrolyt interkalierte Kohlenstoffmaterialschicht zu Li2C6 geformt. Beim Entladen werden Lithiumionen extrahiert und zur positiven Elektrode zurückgeführt. Aufgrund der speziellen zweidimensionalen Struktur von Graphen können, wenn der Zwischenschichtabstand größer als 0,7 nm ist, beide Seiten des Graphens Lithiumionen speichern, und Lithium kann aufgrund des Vorhandenseins von Falten in Graphen gespeichert werden, so dass die theoretische Kapazität sein kann Graphit. Zweimal über 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. Der Schichtabstand von Graphen ist normalerweise viel größer als der von Graphit, wodurch auch mehr Kanäle für den Lithiumionentransport bereitgestellt werden. Daher ist die Verwendung von Graphen als negative Elektrode im Vergleich zu Graphit förderlicher für die Verbesserung der Batterieleistung. Seit das Konzept der Graphenbatterie vorgestellt wurde, zeigen viele akademische Forschungsergebnisse, dass die reversible Kapazität einer Graphenlithiumbatterie mehr als 500 mAh / g erreichen kann und eine hervorragende Ratenleistung aufweist. Die unter Laborbedingungen hergestellte Lithium-Ionen-Negativelektrode wird meist durch ein CVD-Verfahren, eine Hydrazinreduktion, eine Vakuumsaugfiltration, ein Gefriertrocknungsverfahren usw. hergestellt oder liegt in Form von Flocken oder Hohlkugeln vor, die unterschiedlich sind.

2) Graphen als leitfähiges Mittel

Die Hauptfunktion des leitenden Mittels besteht darin, die elektronische Leitfähigkeit zu erhöhen. Da der Elektrolyt ionenleitend ist und die Elektronen nicht leitend sind, fördert das leitende Mittel den schnellen Durchgang von Elektronen durch das lebende Material zum Stromkollektor. Darüber hinaus kann das leitende Mittel auch die Verarbeitbarkeit des Polschuhs verbessern, die Infiltration des Elektrolyten in den Polschuh fördern, den spezifischen elektrischen Widerstand verringern und dadurch die Lebensdauer der Lithiumbatterie verbessern.

Gegenwärtig sind die üblicherweise verwendeten leitfähigen Mittel SP, Acetylenschwarz usw. Der herkömmliche Ruß ist kugelförmig und kann leichter miteinander gemischt werden, wenn er mit dem aktiven Material gemischt wird, aber die Kontaktform ist Punktkontakt, was die Ausübung der leitenden Wirkung und Erhöhung der Zugabe des leitfähigen Mittels. die Summe. Andererseits ist Graphen eine blattartige Struktur, und der Kontakt mit dem aktiven Material ist ein Kontakt von Punkt zu Oberfläche, der die Funktion des leitenden Mittels und dergleichen maximieren und die Menge des leitenden Mittels verringern kann. Dadurch wird es möglich, das aktive Material stärker zu nutzen und die Kapazität der Lithiumbatterie zu erhöhen. Die Blattform von Graphen ist jedoch auch sein Nachteil. Das blattartige Graphen ist schwieriger in dem Lösungsmittel zu dispergieren und es ist wahrscheinlicher, dass es zusammen agglomeriert, aber es ist notwendig, die Menge an Graphen zu erhöhen. Gleichzeitig ist seine Blattstruktur 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 Geschwindigkeitsleistung der Batterie verbessern, aber die Tatsache ist, dass die monolithische Graphenschicht die Diffusion von Lithiumionen behindert, insbesondere im Fall einer Ladung und Entladung mit hoher Geschwindigkeit die interne Polarisation der Batterie wird erhöht und die Batterie wird entladen. Die Kapazität wird reduziert. Verwandte Studien haben gezeigt, dass ein teilweiser Ersatz von leitendem Ruß durch Graphen die Menge an leitendem Mittel verringern und die Energiedichte der Batterie unter Bedingungen niedriger Entladungsrate bis zu einem gewissen Grad erhöhen kann.

3. Industrialisierungsprozess für Graphen-Lithium-Batterien?

Erfolgreiche Beispiele für Graphenanodenmaterialien und Graphenleitmittel, die unter Labor-, Forschungs- und Entwicklungsbedingungen hergestellt wurden, bieten eine solide wissenschaftliche Forschungsgrundlage für die Kommerzialisierung von Graphen-Lithium-Ionen-Batterien in der industriellen Produktion. Wie sieht die Realität von Graphen-Lithium-power-batterien aus? Was?

Das erste Produkt war das Produkt „Ene King“, das 2016 von Dongxu Optoelectronics auf den Markt gebracht wurde. Am 8. Juli 2016 hielt Dongxu Optoelectronics in Diaoyutai eine Pressekonferenz für Lithium-Ionen-Batterien auf Graphenbasis ab und brachte das weltweit erste Lithium-Ionen auf Graphenbasis auf den Markt Ionenbatterieprodukt „Alkenwang“.

Das zweite Produkt ist der branchenweit erste von Huawei im Dezember 2016 auf den Markt gebrachte langlebige Graphen-unterstützte Hochtemperatur-lithium-akku. Der Durchbruch der Graphen-unterstützten Hochtemperatur-Lithium-Ionen-Batterietechnologie beruht hauptsächlich auf drei Aspekten: dem Hinzufügen spezieller Additive zum Elektrolyt zur Entfernung von Spurenwasser und zur Vermeidung einer Pyrolyse des Elektrolyten; Die positive Elektrode der Batterie wird durch große ternäre Einkristallmaterialien modifiziert. Die thermische Stabilität des Materials; Gleichzeitig kann durch die Verwendung von neuem Graphenmaterial eine effiziente Wärmeableitung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und der Umgebung erreicht werden.

Das dritte Produkt ist die „Haushaltsgraphenbatterie“ von Dongxu Optoelectronics und Best by the Media. Tatsache ist, dass Graphen auf dem Diaphragma verwendet wird ...

Natürlich gibt es auf dem Markt eine Vielzahl von Patenten für Graphen-Lithium-Batterien, die sich jedoch erst im Patentstadium befinden. Einschließlich Samsung, Panasonic, LG usw. haben alle Patentanmeldungen in Bezug auf Graphen. Derzeit gibt es kein Unternehmen auf dem Markt für die Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien auf Graphenbasis.

4. Zusammenfassung

Die Leistung von Graphen ist zweifellos, aber ist es unbedingt für Lithium-Ionen-Batterien geeignet? In der kleinen Serie ist Graphen nicht für Lithium-Ionen-Batterien geeignet. Beachten Sie Folgendes:

1. Kostenproblem

Die Kosten für die Verwendung von Graphen als leitfähiges Mittel sind viel höher als die von gewöhnlichem Ruß. Die Kosten einer Lithiumbatterie sind ein wesentlicher Kontrollfaktor, und die Kosten für Rohstoffe werden nicht gesenkt. Selbst wenn die elektrischen Eigenschaften von Graphen gut sind, kann es sich auch eine Tonne Hunderttausende von kostenintensiven Batterieherstellern nicht leisten.

2. Prozessprobleme

Das durch die blattartige Struktur von Graphen verursachte Prozessproblem ist hauptsächlich die Herstellung der Elektrodenpaste. Die Elektrodenpaste muss eine gute Fließfähigkeit, Dispergierbarkeit und geeignete Viskosität aufweisen. Die Dispersion von Flockengraphen in der Elektrodenpaste ist ein sehr schwieriges Problem, insbesondere in dem Fall, in dem die Elektrodenpaste kein Dispergiermittel hinzufügen kann, um die Dispersion zu unterstützen. Die Oberfläche von Graphen ist groß, was einen großen Einfluss auf die Sedimentationsstabilität der Aufschlämmung hat und nicht die Konsistenz jeder Charge garantieren und die Batterieleistung beeinträchtigen kann.

3. Andere Faktoren

Die blattartige Struktur von Graphen hemmt die Diffusion von Lithiumionen, was zu einer ernsthaften Polarisation der Batterie führt, was zu einer Verringerung der Batteriekapazität führt. Die reichhaltige funktionelle Gruppe auf der Oberfläche von Graphen ist eine kleine Wunde auf der Oberfläche von Graphen. Wenn Sie zu viel hinzufügen, wird nicht nur die Energiedichte der Batterie verringert, sondern auch die Flüssigkeitsaufnahme des Elektrolyten erhöht. Andererseits erhöht es die Nebenreaktion mit dem Elektrolyten und beeinflusst den Zyklus. Möglicherweise gibt es sogar Sicherheitsprobleme.

Die derzeit auf dem Markt beanspruchte "Graphenbatterie" ist ein ungenaues Konzept. Genau genommen kann das Hinzufügen von etwas Graphen zum Material, um die Leistung der Lithiumbatterie zu verbessern, als Lithiumbatterie auf Graphenbasis bezeichnet werden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass Graphen im Labor als negatives Elektrodenmaterial zur Herstellung von Lithiumbatterien oder Superkondensatoren 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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