Sind Graphen-Lithium-Batterien wirklich so cool?

Seit die Physiker AndreGeim und KonstantinNovoselov von der Universität Manchester, Großbritannien, den Nobelpreis für Physik 2010 für ihre "bahnbrechenden Experimente mit zweidimensionalen Graphenmaterialien" verliehen haben, haben Nachrichten oder Forschungen zu Graphen viel Aufmerksamkeit erhalten. Was sind die potenziellen Vorteile des Aufladens von Graphen-Lithium-Batterien? Zum Beispiel macht die beliebte Lithiumbatterie mit mobiler Ladung das Publikum voller Erwartungen an die Anwendung dieser Technologie.

Ich frage auch oft das Forschungs- und Entwicklungsvieh des Unternehmens: "Graphen kann jetzt in Massenproduktion hergestellt werden?" Sind Graphen-Lithium-Batterien so leistungsfähig, dass sie in Sekundenschnelle vollständig aufgeladen werden können? In der Tat, für einen Fachmann kann oft nur ha ha zu antworten, wie Elektrizität habe ich keinen Hintergrund in Elektrochemie oder Materialwissenschaften, es ist schwierig, diese obskure professionelle Theorie zu verstehen.

Der Autor kombiniert professionelle Antworten und verschiedene Daten, um die folgenden Inhalte für Sie zu sortieren. Bei den heutigen technologischen Veränderungen mit jedem Tag ist es wirklich schwierig, diese fortgeschrittenen Ideen und Ideen zu sagen. Jetzt scheint es ein Hype zu sein, vielleicht an diesem Tag wird Realität werden.

Was ist Graphen?

Graphen (Graphen hinzufügen) ist ein zweidimensionales Material, das aus Kohlenstoffatomen mit sp2-hybridisierten Orbitalen besteht, um einen hexagonalen flachen Film mit Wabengitter und nur einer Kohlenstoffatomdicke zu bilden. Graphen ist derzeit das dünnste, aber härteste Nanomaterial der Welt. Es ist fast vollständig transparent und absorbiert nur 2,3% des Lichts. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt bis zu 5300 W / m · K, höher als bei Kohlenstoffnanoröhren und Diamant, bei Raumtemperatur beträgt die Elektronenbeweglichkeit mehr als 15000 cm2 / V · s und ist höher als bei Kohlenstoffnanoröhren oder Siliziumkristallen, und der spezifische Widerstand beträgt nur etwa 10- 8 1% m, niedriger als Kupfer oder Silber, der weltweit kleinste spezifische Widerstand des Materials.

Die dünnsten, härtesten, wärmeleitendsten, elektrisch leitendsten, all diese Ringe sagen den Menschen, was für ein erstaunliches Material Graphen ist. Der Autor sollte jedoch daran erinnern, dass Graphen nur durch die internationale Definition von 1-2 Schichten Nanoblatt als Graphen bezeichnet werden kann und nur Graphen ohne Defekte diese perfekten Eigenschaften aufweist, während das tatsächlich produzierte Graphen größtenteils mehrschichtig ist und Defekte aufweist.

Aktuelle Produktionsmethoden und Qualität

Mechanisches Abisolieren: Geims Team stellte Graphen von Hand mit 3M-Klebeband her, aber die Ausbeute war so gering und das resultierende Graphen war so gering, dass das Verfahren wahrscheinlich nicht kommerziell praktikabel war.

Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD): Das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren wird hauptsächlich zur Herstellung von Graphen-Dünnfilmen verwendet. Bei hoher Temperatur werden Methan und andere Gase zum katalytischen Cracken auf der Oberfläche des Metallsubstrats (Cu-Folie) abgeschieden, und dann wird Graphen gebildet. Der Vorteil des CVD-Verfahrens besteht darin, dass es Graphenfilme mit großer Fläche, hoher Qualität und guter Gleichmäßigkeit züchten kann. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass es aufgrund der hohen Kosten und des komplexen Verfahrens schwierig zu übertragen ist und die allgemein gewachsenen Graphenfilme polykristallin sind.

Oxidations-Reduktions-Verfahren: Das Oxidations-Reduktions-Verfahren bezieht sich auf die Reaktion von natürlichem Graphit mit starker Säure und stark oxidierenden Substanzen unter Bildung von Graphitoxid (GO), das durch Ultraschall dispergiert wird, um Graphenoxid herzustellen, und dann mit einem Reduktionsmittel zur Entfernung von Sauerstoff versetzt wird. Gruppen auf der Oberfläche von Graphitoxid enthalten, um Graphen zu erhalten. Das Oxidations-Reduktions-Verfahren hat sich aufgrund seiner geringen Kosten und einfachen Realisierung zum gängigsten Verfahren zur Herstellung von Graphen entwickelt. Die durch dieses Verfahren erzeugte Abfallflüssigkeit weist jedoch eine ernsthafte Umweltverschmutzung auf. Das hergestellte Graphen ist im Allgemeinen mehrschichtiges Graphen oder mikrokristallines Graphen anstelle von Graphen im engeren Sinne, und einige elektrische und mechanische Eigenschaften von Graphen gehen aufgrund von Produktdefekten verloren.

Lösungsmittel-Strippverfahren: Das Prinzip des Lösungsmittel-Strippverfahrens besteht darin, dass eine kleine Menge Graphit in dem Lösungsmittel dispergiert wird, um eine Dispersionslösung mit niedriger Konzentration zu bilden. Die Wirkung von Ultraschall wird verwendet, um die Van-der-Waals-Kraft zwischen den Graphitschichten zu zerstören. Das Lösungsmittel wird zwischen die Graphitschichten eingefügt und die Schichten werden abgezogen, um Graphen zu erzeugen. Dieses Verfahren zerstört nicht die Struktur von Graphen, da das Oxidations-Reduktions-Verfahren hochwertiges Graphen erzeugen kann. Der Nachteil ist, dass die Kosten hoch und die Produktionsrate sehr niedrig sind, die industrielle Produktion ist schwierig.

Zusätzlich umfassen die Herstellungsverfahren von Graphen ein Lösungsmittel-Thermo-Verfahren, eine Hochtemperaturreduktion, eine Lichtreduktion, ein epitaktisches Kristallwachstumsverfahren, ein Mikrowellenverfahren, ein Lichtbogenverfahren, ein elektrochemisches Verfahren usw., die nicht so üblich sind wie die vier oben genannten Verfahren.

Hier stellen wir einen neuen Begriff vor: RGO. Im Allgemeinen wird go aus Graphit hergestellt, der durch eine starke Säure oxidiert und dann durch chemische Reduktion oder Thermoschock reduziert wird. Gegenwärtig besteht die überwiegende Mehrheit des sogenannten "Graphens" auf dem Markt aus Graphenoxid, das durch das Oxidations-Reduktions-Verfahren hergestellt wird. Die Anzahl der Graphitplatten variiert und es gibt viele Defekte und funktionelle Gruppen auf der Oberfläche, unabhängig davon, ob sich die elektrischen, thermischen oder mechanischen Eigenschaften von denen des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Graphens unterscheiden. Sie sind technisch gesehen kein "Graphen".

Der Begriff "Graphenbatterie" ist momentan heiß. Tatsächlich existiert der Begriff "Graphenbatterie" in der internationalen Wissenschaft und Industrie für Lithiumbatterien nicht. "Graphen-Lithium-Batterie" ist also ein wirklich aufregendes Konzept.

Laut Graphen-info, der führenden Graphen-Website in den USA, ist "Graphen-Batterie" eine Batterie aus Graphen, die Elektrodenmaterialien zugesetzt wird. Meiner Meinung nach ist diese Erklärung offensichtlich irreführend. Gemäß der klassischen elektrochemischen Nomenklatur sollte der in Smartphones üblicherweise verwendete lithium-ionen-akku als "Lithium-Kobalt-Graphit-Akku" bezeichnet werden.

Wird als "Lithium-Ionen-Batterie" bezeichnet, da SONY 18650-Lithium-Ionen-Batterien 1991 auf dem Markt waren, wenn man bedenkt, dass die klassische Nomenklatur zu komplex ist. Der Durchschnittsmensch kann sich nicht erinnern, und der Lade- und Entladevorgang wird durch das Lithium-Ionen-Migrationssystem implementiert enthält kein Lithiummetall und wird daher als "Lithiumionbatterie" bezeichnet. Am Ende wurde der Name "Lithiumionenbatterie" weltweit weithin akzeptiert, was auch den besonderen Beitrag von SONY auf dem Gebiet der Lithiumbatterie widerspiegelte.

Gegenwärtig bestehen fast alle handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien aus Anodenmaterialien vom Graphit-Typ. Bei ähnlichen negativen Elektrodeneigenschaften hängt die Leistung von Lithiumionenbatterien stark von den Anodenmaterialien ab. Jetzt haben Lithium-Ionen-Batterien auch die Angewohnheit, sie an der Anode zu nennen. Beispielsweise sind eine BYD-Lithiumeisenphosphatbatterie (die sogenannte "Eisenbatterie" ist nicht Gegenstand der Diskussion des Autors), eine Lithiumkobaltsäurebatterie, eine Lithiummangansäurebatterie, eine ternäre Batterie usw. alle für die positive Elektrode .

Graphen hat eine mögliche (aber nur mögliche) Anwendung in Lithiumbatterien

Negativ:

1. Graphen wird ausschließlich für Anodenmaterialien verwendet.

2. Bilden von Verbundwerkstoffen mit anderen neuen Kathodenmaterialien wie Materialien auf Silizium- und Zinnbasis und Übergangsmetallverbindungen;

Negativ leitfähiges Additiv.

Positive Elektrode: Sie wird hauptsächlich als leitfähiges Mittel verwendet, das der positiven Elektrode aus Lithiumeisenphosphat zugesetzt wird, um das Verhältnis und die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Es gibt auch Studien zur Verbesserung der Zyklenleistung von Lithiummanganphosphat und Lithiumvanadiumphosphat.

Die tatsächliche Leistung von mit Graphen funktionell beschichteter Aluminiumfolie ist nicht viel besser als die von gewöhnlicher kohlenstoffbeschichteter Aluminiumfolie (entwickelt von A123 in Verbindung mit Hankel). Im Gegenteil, die Kosten und die Prozesskomplexität haben stark zugenommen, was die Kommerzialisierung dieser Technologie sehr unwahrscheinlich macht.

Aus der obigen Analyse geht hervor, dass Graphen in Lithium-Ionen-Batterien nur zwei Bereiche spielen kann: direkt in Kathodenmaterialien und leitfähigen Additiven.

Die Möglichkeit, dass Graphen allein als Lithiumanodenmaterial verwendet wird

Die Lade-Entlade-Kurve von reinem Graphen ist der von Hartkohle- und Aktivkohle-Materialien mit hoher spezifischer Oberfläche sehr ähnlich. Beide haben die Nachteile einer sehr geringen Coulomb-Effizienz im Anfangszyklus, einer zu hohen Lade-Entlade-Plattform und einer ernsthaften potenziellen Verzögerung und schlechte Fahrradstabilität. Diese Probleme sind tatsächlich die grundlegenden elektrochemischen Eigenschaften von ungeordneten Kohlenstoffmaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche.

Graphen hat sehr niedrige Schwingungs- und Verdichtungsdichten und ist extrem teuer, so dass es keine Möglichkeit gibt, Graphen direkt als negative Elektrode von Lithiumionenbatterien anstelle von Graphitmaterialien zu verwenden. Was ist mit Graphen-Verbundwerkstoffen, da Graphen allein als negative Elektrode nicht lebensfähig ist?

Graphen und andere neue negative Materialien wie Materialien auf Silizium- und Zinnbasis sowie Übergangsmetallverbindungen zur Bildung von Verbundwerkstoffen sind derzeit das heißeste Forschungsgebiet für "Nano-Lithium". In den letzten Jahren wurden Tausende von Veröffentlichungen veröffentlicht . Einerseits wird die Flexibilität der Graphenschicht verwendet, um die Volumenexpansion dieser Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität während des Zyklus zu puffern; Andererseits kann die ausgezeichnete Leitfähigkeit von Graphen den elektrischen Kontakt zwischen den Partikeln des Materials verbessern und die Polarisation verringern. Alle diese Faktoren können die elektrochemischen Eigenschaften des Verbundmaterials verbessern.

Es ist jedoch nicht nur Graphen, das den Verbesserungseffekt erzielen kann. Die praktischen Erfahrungen des Autors zeigen, dass durch die Anwendung herkömmlicher Kohlenstoffverbundtechnologien und -verfahren ähnliche oder sogar bessere elektrochemische Eigenschaften erzielt werden können. Beispielsweise verbessern Si / C-Verbundkathodenmaterialien die elektrochemischen Eigenschaften der Materialien im Vergleich zur üblichen Trockenverbundtechnologie nicht signifikant. Im Gegenteil, die Dispersion und Verträglichkeit von Graphen erhöhen die Komplexität des Verfahrens und beeinflussen die Chargenstabilität.

Unter Berücksichtigung der Materialkosten, des Herstellungsprozesses, der Verarbeitbarkeit und der elektrochemischen Eigenschaften ist der Autor der Ansicht, dass die Möglichkeit einer tatsächlichen Anwendung von Graphen oder Graphen-Verbundwerkstoffen in Lithiumanoden sehr gering und die Aussicht auf Industrialisierung gering ist.

Möglichkeit der Verwendung von Graphen als leitfähiges Mittel

Gegenwärtig umfassen die leitfähigen Mittel, die üblicherweise in Lithiumelektrizität verwendet werden, leitenden Ruß, Acetylenschwarz, KWK-Schwarz, SuperP usw., und jetzt beginnen einige Batteriehersteller, Kohlefaser (VGCF) und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) als leitende Mittel zu verwenden in Power-Batterien.

Das Prinzip von Graphen als leitfähigem Mittel ist seine ausgezeichnete elektronische Übertragungsfähigkeit aufgrund seiner speziellen Struktur einer zweidimensionalen hochspezifischen Oberfläche. Nach den bisher gesammelten Testdaten weisen VGCF, CNT und Graphen in Bezug auf die Multiplikatorleistung eine gewisse Verbesserung gegenüber SuperP auf, es gibt jedoch nur geringe Unterschiede im Grad der Verbesserung der elektrochemischen Leistung zwischen den drei, und Graphen zeigt keinen offensichtlichen Vorteil .

Könnte die Zugabe von Graphen das Elektrodenmaterial explodieren lassen? Die Antwort ist nein. IPhone Handy-Batterien, zum Beispiel, die Batteriekapazität des Aufstiegs ist weitgehend auf das Ergebnis des Anstiegs der LCO-Arbeitsspannung zurückzuführen, maximale Ladespannung von 4,2 V auf 4,35 V, derzeit auf dem I-Phone6 macht LCO-Kapazität von 145 mah / g allmählich auf 160-170 mah / g ansteigen (Hochdruck-LCO muss Dotierungs- und Modifizierungsmaßnahmen wie Oberflächenbeschichtung bestehen), all diese Verbesserungen haben nichts mit Graphen zu tun.

Mit anderen Worten, wenn Sie Lithiumkobaltoxid mit einer Abschaltspannung von 4,35 V und einer Kapazität von 170 mAh / g bei hohem Druck verwenden, können Sie die Kapazität von Lithiumkobaltoxid nicht um 180 mAh / g erhöhen, indem Sie Graphen hinzufügen Ganz zu schweigen von der sogenannten "Graphenbatterie" mit mehrfacher Kapazität. Kann die Zugabe von Graphen die Batterielebensdauer verbessern? Es ist auch unmöglich. Die spezifische Oberfläche von Graphen ist größer als die von CNT, und die Zugabe von CNT zur negativen Elektrode kann nur mehr SEI erzeugen und Lithiumionen verbrauchen, so dass CNT und Graphen nur zur positiven Elektrode hinzugefügt werden können, um das Verhältnis zu verbessern und niedrig Temperaturleistung.

Die reichen funktionellen Gruppen auf der Graphenoberfläche sind jedoch die kleinen Wunden auf der Graphenoberfläche. Übermäßige Zugabe verringert nicht nur die Energiedichte der Batterie, sondern erhöht auch die vom Elektrolyten absorbierte Flüssigkeitsmenge. Andererseits erhöht es die Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten und beeinträchtigt die Zirkulierbarkeit und kann sogar Sicherheitsprobleme verursachen. Was ist mit den Kosten? Die Herstellung von Graphen ist derzeit extrem teuer, und die sogenannten billigen "Graphen" -Produkte auf dem Markt sind im Grunde Graphenoxid.

Sogar go kostet mehr als CNT, was höher ist als VGCF. In Bezug auf Dispergierbarkeit und Verarbeitbarkeit ist VGCF einfacher zu bedienen als CNT und Graphen. Dies ist der Hauptgrund, warum das VGCF von showa denko allmählich in den Markt für Leistungsbatterien eintritt. Es ist ersichtlich, dass Graphen bei Verwendung als leitfähiges Additiv keinen Vorteil gegenüber CNT und VGCF hinsichtlich der Kostenleistung hat.

Die derzeitige heiße Situation von Graphen in China erinnert mich an Kohlenstoffnanoröhren (CNTS) vor mehr als zehn Jahren. Wenn wir Graphen und CNT vergleichen, werden wir feststellen, dass die beiden auffallend ähnlich sind, mit vielen fast identischen "seltsamen Eigenschaften". Diese "magischen Eigenschaften" von CNT werden dann vollständig auf Graphen angewendet. CNT begann Ende des letzten Jahrhunderts international Feuer zu fangen und erreichte seinen Höhepunkt zwischen 2000 und 2005. CNTS soll sehr vielseitig sein und viele "einzigartige Eigenschaften" im Lithiumbereich haben.

Aber mehr als 20 Jahre sind vergangen, und bisher hat diese "seltsame Leistung" von CNT in keinem Bereich eine wirklich große Anwendung gefunden. In Bezug auf Lithiumelektrizität wird CNT nur als leitfähiges Mittel für positive Elektroden verwendet. In den letzten zwei Jahren wurde ein kleiner Versuch mit LFP-Akkus gestartet (die Kostenleistung ist immer noch niedriger als der von VGCF), und LFP-Akkus sind dazu verdammt, die gängige Technologieroute für Elektrofahrzeuge zu werden.

Im Vergleich zu CNT ist Graphen hinsichtlich der elektrochemischen Eigenschaften ohne besondere Merkmale sehr ähnlich. Im Gegenteil, es hat höhere Produktionskosten, eine schwerwiegendere Umweltverschmutzung im Produktionsprozess und eine schwierigere praktische Betriebs- und Verarbeitungsleistung. Aufgrund meiner jahrelangen Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von Lithiumbatterien glaube ich nicht, dass Graphen auf dem Gebiet der Lithiumionenbatterien einen großen praktischen Anwendungswert haben wird. Die sogenannte "Graphenbatterie" ist nur ein Hype. Beim Vergleich von CNT mit Graphen möchte der Autor sagen, dass "die Geschichte immer so ähnlich ist".

Die tatsächlichen Anwendungsmöglichkeiten von Graphen wurden spekuliert

Zukünftige Anwendungen von Graphen in Lithium-Ionen-Batterien sind sehr begrenzt. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ist die Anwendungsperspektive von Graphen in Superkondensatoren, insbesondere im Bereich der Mikrosuperkondensatoren, nach Ansicht des Autors etwas zuverlässiger. Wir sollten uns jedoch immer noch eines akademischen Hype bewusst sein.

In der Tat werden Sie nach dem Lesen vieler dieser sogenannten "akademischen Durchbrüche" feststellen, dass viele Professoren einige grundlegende Konzepte in ihrer Arbeit absichtlich oder unbeabsichtigt verwechselt haben. Gegenwärtig haben kommerzielle Aktivkohle-Superkondensatoren im Allgemeinen eine Energiedichte von 7 bis 8 Wh / kg, was sich auf die Vorrichtungsenergiedichte des gesamten Superkondensators bezieht, der alle Komponenten enthält. Und der Durchbruch, über den Professoren sprechen, ist normalerweise die Energiedichte des Materials, sodass die tatsächliche Graphenaufladung bei weitem nicht so gut ist, wie es das Papier vorschlägt.

Relativ sind die Kosten für Miniatur-Superkondensatoranforderungen nicht so streng, Kondensatoren mit Graphen-Verbundwerkstoffen als elektrochemisch aktives Material, und wählen Sie den geeigneten ionischen flüssigen Elektrolyten, die Herstellung kann mit doppeltem Vorteil auf herkömmlichen Kondensator- und Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichervorrichtungen realisiert werden, Im mikroelektromechanischen System (MEMS) können solche kleinen Nischenbereiche (nur) einen bestimmten Anwendungswert haben.

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