Sind Graphenleiter für Lithium-Ionen-Batterien zur Energiespeicherung geeignet?

Als Supermaterial mit hervorragenden elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften hat es breite Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Im Jahr 2015 besuchte Generalsekretär Xi Jinping während seines Besuchs in Großbritannien das National Graphite Institute der Universität von Manchester in Großbritannien. Das Unternehmen kündigte später an, Millionen Pfund in eine Studie mit dem Institut über die Zukunft von Graphenanwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie zu investieren. Auf dem heimischen A-Aktienmarkt gab es auch einen Sturm konzeptioneller Spekulationen über Graphenmaterialien. Alle Bestände im Zusammenhang mit dem Graphen-Konzept sind gestiegen, und viele Batterieunternehmen haben angekündigt, "die weltweit erste Graphen-Batterie" zu entwickeln. Obwohl es sich um Rauchbomben handelt, die von Batterieherstellern veröffentlicht wurden, haben sie auch die Aufmerksamkeit aller auf sich gezogen und angezogen weit verbreitete Aufmerksamkeit.

Tatsächlich verwenden die meisten Graphenbatterien nur eine geringe Menge Graphen als leitfähiges Mittel für Lithium-Ionen-Batterien, wobei weniger als 1% hinzugefügt werden, und es handelt sich im Wesentlichen um eine Lithium-Ionen-Batterie. Es ist nur ein Werbegag mit Graphen. Huawei-Graphenbatterien: Wenn Graphen einfach als Wärmeableitungshilfe für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, um die Fähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, ist Graphen nicht an den elektrochemischen Reaktionen in Lithium-Ionen-Batterien beteiligt. Genau genommen kann es nur als mit Graphen angereicherte Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet werden.

Unter den vorhandenen technischen Möglichkeiten wird Graphen unter Berücksichtigung der Kostenbeschränkungen und anderer Faktoren derzeit hauptsächlich als leitfähiges Mittel und als zusätzliches Wärmeableitungsverfahren für Lithiumionenbatterien verwendet. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterieleiter wie Ruß SP, Kohlefaser VGCF usw. stehen in Kontakt mit Wirkstoffen, was die Verwendung leitender Eigenschaften einschränkt und die Menge der zugesetzten leitfähigen Mittel erhöht. Stattdessen ist Graphen eine schuppige Struktur. Der Kontakt mit dem aktiven Material ist Punkt-Oberflächen-Kontakt. Es kann die Rolle von leitfähigen Mitteln maximieren, die Menge an leitfähigen Mitteln verringern und die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen, aber das beste Material Es gibt auch Mängel, die schuppige Struktur von Graphen. Es wird die Diffusion von Lithiumionen behindern. Bei einer großen Arbeitsstromdichte nimmt die Diffusionsimpedanz von Li + zu, was zu einer Verringerung der Multiplikatorleistung der Batterie führt. Heute hat der kleine Herausgeber alle dazu gebracht, die Vor- und Nachteile von Graphen als leitfähiges Mittel für Lithium-Ionen-Batterien zu analysieren.

Der Lehrer Yangquanhong von der Tianjin Universität ist ein hochrangiger Wissenschaftler in der Graphenindustrie. In einem 2012 in Nano Energy veröffentlichten Artikel untersuchte er die Vor- und Nachteile von Graphen als leitfähiges Mittel für Lithium-Ionen-Batterien. In Frau Yangs Studie wurde eine kommerzielle quadratische 10-Ah-Lithium-Ionen-Batterie "LiFePO4 / Graphit" verwendet. Studien haben gezeigt, dass das Ersetzen herkömmlicher leitfähiger Mittel in Lithiumionenbatterien durch eine geringe Menge (1%) Graphen nicht nur den Anteil chemischer Substanzen erhöhen, sondern auch die Impedanz von Lithiumionenbatterien, sondern auch die Graphenstruktur der Folie erheblich verringern kann Es wird ein großes Hindernis für die schnelle Diffusion von Li + darstellen, so dass es bei hohen Strömen geladen und entladen wird (& GT; Wenn 3C), eine starke Polarisation von Lithiumionenbatterien verursacht und die Entladekapazität von Lithiumionen beeinflusst Batterien. Diese Studie zeigt, dass Graphen für die Anwendung als leitfähiges Mittel in einigen Fällen geeignet ist, in denen das Lade- und Entladeverhältnis von Lithiumionenbatterien nicht hoch ist. Die Zugabe von Graphen kann den Anteil an Wirkstoffen erheblich erhöhen, die Elektrodenimpedanz verringern und die Energiedichte von Lithiumionenbatterien erhöhen. Einige Graphene sind jedoch nicht für die Verwendung in Leistungsbatterien geeignet (Verdopplungsrate beim Laden und Entladen & GT; 3C) ) als leitfähiges Mittel.

In dem Experiment stellte das Team von Yangquanhong zwei Batterietypen her, von denen einer eine normale Batterie der Kontrollgruppe war, wobei 7% Ruß und 3% leitfähiger Graphit verwendet wurden. Die Versuchsgruppe verwendete 1% Graphen und 1% Ruß. Als leitfähiges Mittel. Die Testergebnisse zeigen, dass bei gleicher Beschichtungsmenge die Batteriekapazität der Versuchsgruppe unter Verwendung von Graphen (0,5 C Laden und Entladen) signifikant höher ist als die der Kontrollgruppenbatterie, und die zyklischen Eigenschaften der beiden sind ähnlich, was darauf hinweist dass Graphen gebaut werden kann. Effizienteres leitendes Netzwerk: Um die Menge an leitfähigen Mitteln zu verringern, erhöhen Sie die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien (10%), verringern Sie die Polarisation von Batterien und erhöhen Sie die Energiedichte von Batterien.

In dem anschließenden Verdopplungsexperiment wurde festgestellt, dass die leitfähige Graphenbatterie in der Versuchsgruppe bei Lade- und Entladeraten von 0,5 ° C, 1 ° C und 2 ° C eine höhere Kapazität und eine geringere Polarisation als die Batterie der Kontrollgruppe aufwies. Wenn jedoch die Lade- und Entladeverdopplungsrate auf 3 ° C erhöht wurde, fiel die Batteriekapazität in der Versuchsgruppe schnell unter 4 Ah, während die Batteriekapazität in der Kontrollgruppe bei etwa 9 Ah blieb und die Entladungsverdopplungsrate weiterhin auf 4 ° C erhöht wurde . Graphen leitende Batterie aufgrund zu starker Polarisation, Entladung war nicht mehr möglich, aber die Kontrollgruppe war relativ stabil.

Die EIS-Analyse zeigte, dass die ohmsche Impedanz der zugesetzten Graphen-Versuchsgruppenbatterien signifikant niedriger war als die der Kontrollgruppenbatterien. Dies war hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die schuppige Graphenstruktur einen guten Kontakt mit den Partikeln des aktiven Materials herstellen und den Kontaktwiderstand verringern konnte. Bei der Hochfrequenz-Ladungsaustauschimpedanz waren die Batterien der Versuchsgruppe jedoch signifikant höher als die Batterien der Kontrollgruppe, was darauf hinweist, dass die Zugabe von Graphen die Diffusion von Li + innerhalb der Elektrode beeinflusste. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass hauptsächlich, weil die Graphen-Flockenstruktur die Diffusion von Li + behindert, was zu einer Verlängerung des Ausbreitungsweges von Li + führt, was zu einer Zunahme der Polarisation der Lithium-Ionen-Batterie führt, die mit Graphen im großen Strom versetzt wird. was zu der Batterieentladekapazität führt. Ablehnen. Herkömmliche Materialien wie Ruß, leitfähige Kohlenstofffasern und leitfähiger Graphit weisen kleine Querschnitte auf, sodass sie die Diffusion von Li + weniger behindern und die Leistung der Entladung mit großem Strom in Lithium-Ionen-Batterien kaum beeinflussen.

Die Studie zeigt, dass Graphen als leitfähiges Mittel zwar die Leitfähigkeit der Elektrode signifikant erhöhen, die Menge an leitendem Mittel verringern und die Energiedichte von Lithiumionenbatterien erhöhen kann, jedoch nicht alle Lithiumionenbatterien für die Verwendung von Graphen als leitfähiges Mittel geeignet sind In einigen Bereichen, in denen der Bedarf an Lade- und Entladeströmen nicht hoch ist, wie z. B. energiespeicher, elektronische Geräte usw., ist der Arbeitsstrom gering und eignet sich zum Ersetzen herkömmlicher leitfähiger Mittel durch Graphen. In einigen Bereichen, in denen Lade- und Entladeströme hoch sein müssen, wie z. B. hochleistungsbatterien, Leistungsbatterien usw., führt Graphen dazu, dass Lithiumionenbatterien unter Hochstrombedingungen die Polarisation erhöhen, und ist für Graphen als nicht geeignet leitfähiges Mittel.

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