Was sind die Aussichten für Graphen?

Graphen ist ein hexagonaler planarer Film mit einem Wabengitter aus Kohlenstoffatomen. Es ist derzeit das dünnste und härteste Nanomaterial der Welt. Seine Wärmeleitfähigkeit ist höher als die von Kohlenstoff-Nanoröhren und Diamanten. Bei Raumtemperatur ist seine Elektronenmobilität höher als die von Kohlenstoff-Nanoröhren oder Siliziumkristallen, und sein spezifischer Widerstand ist niedriger als der von Kupfer oder Silber.

Graphen ist das dünnste, härteste, heißeste und leitfähigste Material der Welt.

Es wird gesagt, dass es "Tear" von Andrei Heim und Konstantin Novoselov im Jahr 2004 mit Klebeband reißendem Graphit war. Beide waren wegen "zweidimensionalem Graphen" Physiker an der Universität von Manchester in Großbritannien. Das bahnbrechende Materialexperiment wurde 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Später war Graphen weithin als magisches Material bekannt. In den letzten zwei Jahren wurde auch Graphen im Land gebrannt. Statistiken zeigen, dass im Jahr 2016 die Gesamtgröße des Graphenmarktes in China 4 Milliarden Yuan überstieg und der Umsatz mit Graphenprodukten rund 3 Milliarden Yuan erreichte. Chinas Graphenmarkt wird 2017 schnell wachsen und voraussichtlich 10 Milliarden Yuan überschreiten. Damit ist er laut der strategischen Allianz für technologische Innovation in der Graphenindustrie der weltweit größte Verbraucher von Graphen.

Graphen erhielt sofort Gunst aus allen Lebensbereichen. Besonders in Elektroautos, in denen Graphenbatterien im Volksmund als "fünf Minuten aufladen und tausend Kilometer laufen" bekannt sind, muss sich meine Mutter keine Sorgen mehr um meine Ausdauer machen.

Was zum Teufel ist eine Graphenbatterie?

Graphenbatterien haben eine Energiedichte von bis zu 600 Wh / kg, während eine Lithiumbatterie (basierend auf den fortschrittlichsten) einen spezifischen Energiewert von 180 Wh / kg hat.

Mit anderen Worten, wenn ein Elektroauto die Gesamtenergie einer Kraftzellenbatterie erreichen möchte, beträgt das Gewicht einer Graphenzelle nur ein Achtel des Gewichts einer normalen Kraftzelle (die Graphenzelle selbst ist nur halb so schwer wie eine herkömmliche Batterie). Theoretisch ist seine Lebensdauer viermal so hoch wie die herkömmlicher hydrierter Batterien und doppelt so lang wie die von Lithiumbatterien.

Reine Graphenbatterien werden derzeit jedoch von Wikipedia nicht definiert. Selbst die berühmte Graphenbatterie, die Graphenano und Cordoba in Spanien gemeinsam betrieben, gaben wir ihm doppelt so viel Zeit, bevor wir ein Stück Haar für die Massenproduktion fanden, nachdem Bragabout 2015 in Produktion gehen sollte.

Gegenwärtig werden die meisten sogenannten Graphenbatterien auf dem Markt technisch zu einigen Graphenbatterien wie Lithiumbatterien hinzugefügt, und sie werden häufiger als Trägermaterialien verwendet.

Betrachten wir die möglichen (aber nur möglichen) Anwendungen von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien.

Als negativer Pol:

1, Graphen allein für negatives Material;

2 mit anderen neuen negativen polaren Materialien, wie Materialien auf Silizium- und Zinnbasis und Übergangsmetallverbindungen, um Verbundmaterialien zu bilden;

3, negative elektrodenleitende Additive.

Könnte Graphen allein als Lithiumelektrodenmaterial verwendet werden?

Wird als Industrialisierungsaussicht für Lithiumbatterieanoden verwendet

Die Lade- und Entladekurve von reinem Graphen ist der von Hartkohle- und Aktivkohle-Materialien mit einer hohen spezifischen Oberfläche sehr ähnlich. Beide haben die Nachteile eines extrem geringen Wirkungsgrads des Coulomb des ersten Zyklus, einer hohen Lade- und Entladeplattform, einer ernsthaften potenziellen Verzögerung und einer schlechten Zyklusstabilität. Diese Probleme sind tatsächlich die grundlegenden elektrochemischen Eigenschaften hochspezifischer oberflächengestörter Kohlenstoffmaterialien.

Die Verdichtung und Verdichtungsdichte von Graphen sind sehr gering und die Kosten sind extrem teuer. Es gibt keine Möglichkeit, Graphitmaterialien direkt als negative Elektroden für Lithiumionenbatterien zu ersetzen. Was ist mit Graphen-Verbund-Negativelektrodenmaterialien, da es nicht möglich ist, Graphen allein als negativen Pol zu verwenden?

Graphen und andere neue negativpolare Materialien wie Materialien auf Silizium- und Zinnbasis sowie Verbundwerkstoffe zur Bildung von Übergangsmetallverbindungen sind derzeit die beliebtesten Forschungsgebiete für "Nanometer-Lithium-Elektrizität" und haben in den letzten Jahren Tausende von Veröffentlichungen veröffentlicht. Das Prinzip des Compoundierens besteht darin, die Flexibilität der Graphenschicht zu nutzen, um die Volumenausdehnung dieser Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität während des Zyklus zu puffern. Andererseits kann die ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit von Graphen den elektrischen Kontakt zwischen Materialpartikeln verbessern, um die Polarisation zu verringern. All diese Faktoren können die elektrochemischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verbessern.

Es ist jedoch nicht so, dass nur Graphen verbesserte Ergebnisse erzielen kann. Mit herkömmlichen Verbundtechnologien und -verfahren aus Kohlenstoffmaterial können ähnliche oder sogar bessere elektrochemische Eigenschaften erzielt werden. Beispielsweise verbessert Verbund-Graphen aus negativen Elektrodenmaterialien aus Si / C-Verbundwerkstoffen im Vergleich zu herkömmlichen Verbundverfahren mit Trockenverfahren die elektrochemische Leistung des Materials nicht wesentlich, aber aufgrund der Dispersion von Graphen und Kompatibilitätsproblemen wird die Komplexität des Verfahrens erhöht . Und die Chargenstabilität beeinflussen.

Wenn die Materialkosten, der Produktionsprozess, die Prozessfähigkeit und die elektrochemischen Eigenschaften berücksichtigt werden, ist die Möglichkeit, dass Graphen oder Graphenverbundmaterialien tatsächlich für die Lithium-Elektro-Negativität verwendet werden, sehr gering.

Als positiver Pol:

Es wird hauptsächlich als leitfähiges Mittel verwendet, das der positiven Elektrode aus Eisenphosphat zugesetzt wird, um den Multiplikator und die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Es gibt auch Studien zur Verbesserung der Zykluseigenschaften von Lithiummanganphosphat und Lithiumvanadiumphosphat.

Es ist kein offensichtlicher Vorteil, als leitfähiges Mittel verwendet zu werden

Lassen Sie uns weiter über die Möglichkeit sprechen, Graphen als leitfähiges Mittel zu verwenden. Heutzutage umfassen die leitfähigen Mittel, die üblicherweise in Lithiumelektrizität verwendet werden, leitenden Ruß, Acetylenschwarz, Korianderschwarz, Super-P usw. Batteriehersteller haben auch begonnen, Kohlefaser (VGCF) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) als leitend zu verwenden Agenten auf power-batterien.

Das Prinzip, dass Graphen als leitfähiges Mittel verwendet wird, ist die ausgezeichnete elektronische Übertragungsfähigkeit, die durch seine spezielle Struktur der zweidimensionalen hochspezifischen Oberfläche hervorgerufen wird. Gemäß den akkumulierten Testdaten weisen VGCF, CNT und Graphen im Vergleich zu Super-P eine gewisse Verbesserung der Vergrößerungsleistung auf, aber der Unterschied in der elektrochemischen Leistung zwischen den drei ist gering, und Graphen zeigt keine offensichtlichen Vorteile.

Ist es also möglich, Graphen hinzuzufügen, damit das Elektrodenmaterial explodieren kann? Die Antwort ist nein. Nehmen Sie als Beispiel den iPhone-akku. Die Erhöhung der Batteriekapazität ist hauptsächlich auf die Erhöhung der Betriebsspannung von LCO zurückzuführen, wodurch die obere Ladespannung des aktuellen i-Phone6 von 4,2 V auf 4,35 V erhöht wird. Dies erhöht allmählich die Kapazität von LCO von 145 mAh / g auf 160-170 mAh / g (Hochdruck-LCO muss eine Körperphasendotierung und Oberflächenbeschichtung sowie andere Modifizierungsmaßnahmen durchlaufen), und diese Verbesserungen haben nichts mit Graphen zu tun.

Das heißt, wenn Sie lithiumkobaltoxid mit einer Abschaltspannung von 4,35 V und einer Kapazität von 170 mAh / g verwenden, ist es unmöglich, die Kapazität von Lithiumkobalt auf 180 mAh / g zu erhöhen, indem Sie die Menge an Graphen hinzufügen. Ganz zu schweigen von den sogenannten "Graphenbatterien", die dazu neigen, die Kapazität um ein Vielfaches zu erhöhen. Könnte das Hinzufügen von Graphen die Lebensdauer des akkus verlängern? Das ist auch unmöglich. Graphen hat eine größere Oberfläche als CNT, und die Zugabe von negativen Polen kann nur mehr SEIs bilden und Lithiumionen verbrauchen, so dass CNT und Graphen im Allgemeinen nur positiven Polen zugesetzt werden können, um die Vergrößerung und die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.

Die reichen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Graphen sind jedoch kleine Wunden auf der Oberfläche von Graphen. Wenn Sie zu viel hinzufügen, wird nicht nur die Energiedichte der Batterie verringert, sondern auch die Absorption der Elektrolytflüssigkeit erhöht. Andererseits erhöht es auch die Nebenreaktion mit dem Elektrolyten und beeinflusst die Zirkulation. Sex kann sogar Sicherheitsprobleme verursachen. Was ist mit den Kosten? Gegenwärtig ist die Graphenherstellung extrem teuer, und die sogenannten billigen "Graphen" -Produkte auf dem Markt sind im Grunde Graphenoxide.

Sogar Graphenoxid kostet mehr als CNT und CNT kostet mehr als VGCF. In Bezug auf Fragmentierung und Prozessfähigkeit ist VGCF einfacher zu bedienen als CNT und Graphen. Dies ist der Hauptgrund, warum das VGCF von Showa Electric allmählich in den Markt für Kraftzellen eintritt. Es ist ersichtlich, dass Graphen als leitfähiges Additiv verwendet wird und derzeit bei CNT und VGCF keine Vorteile hinsichtlich der Preisleistung hat.

Was sind die wirklichen Anwendungen von Graphen?

Die zukünftige Anwendung von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien hat wenig Aussicht. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien scheinen die Anwendungsaussichten von Graphen für Superkondensatoren, insbesondere Miniatur-Superkondensatoren, etwas zuverlässiger zu sein, aber wir müssen immer noch wachsam gegenüber einem akademischen Hype sein.

Wenn Sie sich viele dieser sogenannten "akademischen Durchbrüche" ansehen, werden Sie feststellen, dass viele Professoren einige grundlegende Konzepte in ihrer Arbeit absichtlich oder unbeabsichtigt verwechselt haben. Gegenwärtig haben kommerzielle Aktivkohle-Superkondensatoren eine Energiedichte von 7 bis 8 Wh / kg, was sich auf die Vorrichtungsenergiedichte des gesamten Superkondensators bezieht, der alle Komponenten enthält. Die von den Professoren erwähnten Durchbrüche beziehen sich im Allgemeinen auf die Energiedichte des Materials, so dass die tatsächliche Graphen-Supermachtversorgung nicht so gut ist wie in der Veröffentlichung erwähnt.

Im Gegensatz dazu sind die Kostenanforderungen von Mikro-Superkondensatoren nicht so streng wie bei normalen Kondensatoren. Graphen-Verbundwerkstoffe werden als elektrochemisch aktive Materialien verwendet und geeignete ionische flüssige Elektrolyte ausgewählt. Es ist möglich, die doppelten Vorteile sowohl herkömmlicher Kondensatoren als auch von Lithiumionenbatterien zu erzielen. Energiespeicher In Nischenbereichen wie mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) kann (nur möglich) ein Anwendungswert vorhanden sein.

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