¿Qué papel juega el grafeno en las baterías de litio?

El rendimiento del grafeno es sin duda excelente, pero ¿es adecuado para baterías de iones de litio? Actualmente, la "batería de grafeno" reivindicada en el mercado es un concepto inexacto. Para ser precisos, es básicamente agregar un poco de grafeno al material para mejorar el rendimiento de la batería de litio, que se puede llamar batería de iones de litio basada en grafeno. No se excluye que el grafeno se utilice como material de electrodo negativo para fabricar baterías de litio o supercondensadores en el laboratorio, pero los requisitos son relativamente altos. En resumen, el grafeno se puede utilizar como condimento para baterías de litio, pero no es adecuado como material principal.

1. Estructura y propiedades del grafeno

Estructura física: el grafeno es una película plana con una sola capa atómica compuesta por átomos de carbono. Su grosor es de solo 0,34 nanómetros. El grosor de una sola capa es igual a 1 / 150.000 del diámetro de un cabello humano. Es el material nanométrico más delgado y duro conocido en el mundo, con buena transmisión de luz y capacidad de plegado. Debido a que solo hay una capa de átomos, los electrones están confinados a un solo plano y el grafeno tiene un conjunto completamente nuevo de propiedades eléctricas. El área de superficie específica del grafeno fue de aproximadamente 2630 m2 / gy la conductividad térmica fue de 5000 W / m & dot. K.

Propiedades eléctricas: el grafeno tiene propiedades portadoras únicas y propiedades de fermión de Dirac sin masa. Su movilidad electrónica puede alcanzar 2 x 105 cm2 / v. S, que es aproximadamente 140 veces mayor que la movilidad de electrones en el silicio, arseniuro de galio 20 veces, estabilidad a alta temperatura, conductividad eléctrica de hasta 108 Ω / m, la resistencia de la superficie es de aproximadamente 31 Ω / sq (310 Ω / m2), menor que el del cobre o la plata, es la mejor conductividad del material a temperatura ambiente.

Además, el efecto hall cuántico medio entero de los portadores de electrones y los portadores de huecos en el grafeno se puede observar cambiando el potencial químico a través de la acción del campo eléctrico, mientras que Novoselov et al. observó este efecto hall cuántico del grafeno a temperatura ambiente.

2 grafeno en baterías de litio

Es debido al grafeno con el efecto de tamaño nanométrico del anterior, tiene una gran superficie específica, buena conductividad eléctrica y excelentes propiedades mecánicas, como el grafeno, ampliamente investigado por científicos de todo el mundo, y creó un concepto de "batería de grafeno de litio". el grafeno es en qué roles intervienen en la batería de litio?

Material negativo

Debido a su estructura bidimensional única, excelente capacidad de transmisión electrónica y gran área de superficie específica, el grafeno tiene un gran potencial para reemplazar al grafito como una nueva generación de material de cátodo para baterías de iones de litio. El mecanismo de almacenamiento de litio del grafeno es similar al de otros materiales de carbono. Los iones de litio se separan del polo positivo durante la carga y se forman mediante un electrolito incrustado en la capa intermedia de material de carbono para formar Li2C6. Los iones de litio se separan y se devuelven al polo positivo durante la descarga. Debido a la estructura bidimensional especial del grafeno, cuando el espacio entre hojas es superior a 0,7 nm, ambos lados del grafeno pueden almacenar iones de litio. Al mismo tiempo, debido a la existencia de grafeno plisado, también se puede almacenar litio. Por tanto, la capacidad teórica del grafeno puede ser el doble que la del grafito, superior a 744 mAh / g.

Además, el grafeno es principalmente de tamaño micro-nano, que es mucho más pequeño que el grafito a granel, lo que hace que la ruta de difusión de los iones de Li sea más corta, y el espacio entre las capas de grafeno suele ser mucho mayor que el del grafito, que también proporciona más canales para la transmisión de iones de litio. Por lo tanto, en comparación con el grafito, el uso de grafeno como electrodo negativo es más propicio para mejorar el rendimiento de la batería. Desde que se propuso el concepto de batería de grafeno, muchos estudios académicos han demostrado que la capacidad reversible de la batería de grafeno de litio puede alcanzar más de 500 mAh / gy tiene un excelente rendimiento multiplicador. El electrodo electronegativo de litio preparado en condiciones de laboratorio adopta principalmente el método CVD, la reducción de hidrato de hidracina, la filtración al vacío y el método de liofilización para preparar grafeno, que es escamoso o esférico hueco.

2. El grafeno ACTÚA como agente conductor

La función principal del agente conductor es mejorar la conductividad electrónica, porque el electrolito es conductividad iónica y los electrones no pueden conducir, por lo que el agente conductor es promover el paso rápido de electrones a través del material vivo al fluido colector. Además, el agente conductor también puede mejorar el procesamiento de la hoja del electrodo, promover la infiltración del electrolito en la hoja del electrodo, reducir la resistividad, para mejorar la vida útil de la batería de litio.

Actualmente, los agentes conductores comúnmente usados incluyen SP y negro de acetileno, etc. El negro de carbón tradicional es esférico, que es más probable que se mezcle uniformemente con la sustancia viva. Sin embargo, la forma de contacto es un contacto puntual, lo que limita el papel conductor y aumenta la cantidad de agente conductor. Sin embargo, el grafeno es una estructura de lámina con contacto de punto a superficie con el material activo, que puede maximizar el papel del agente conductor y reducir la cantidad de agente conductor, para utilizar más material activo y mejorar la capacidad de la batería de litio. . Sin embargo, el grafeno en láminas también es un inconveniente. Las láminas de grafeno son más difíciles de dispersar en disolventes y es más probable que se aglomeren. En cambio, necesitamos aumentar la cantidad de grafeno que usamos. Al mismo tiempo, su estructura laminar no favorece la difusión de iones de litio, lo que aumenta la resistencia interna de la celda y acelera el fallo de la batería.

En teoría, la conductividad ultrarrápida del grafeno puede mejorar el rendimiento multiplicador de la batería, pero lo cierto es que el resultado del grafeno monocapa dificulta la difusión de los iones de litio, especialmente en el caso de carga y descarga a alta velocidad. la polarización dentro de la batería aumenta y la capacidad de descarga de la batería disminuye. Estudios relevantes han demostrado que la sustitución parcial de grafeno por negro de carbón conductor puede reducir la cantidad de agente conductor y mejorar la densidad de energía de la batería hasta cierto punto en condiciones de baja velocidad de descarga.

3. Proceso de industrialización de la batería de grafeno y litio

Los ejemplos exitosos de materiales de ánodo de grafeno y agentes conductores de grafeno preparados en condiciones de laboratorio y de I + D han proporcionado una base sólida de investigación científica para la producción de baterías de iones de litio y grafeno en la producción industrial. Entonces, ¿cuál es la situación de las baterías de iones de litio y grafeno en la realidad?

El primer producto es el "rey de ene", lanzado por dong xu en 2016. El 8 de julio de 2016, east light realizó el lanzamiento de un producto de batería de iones de litio a base de grafeno en diaoyutai y lanzó la primera batería de iones de litio a base de grafeno del mundo. producto - "rey de ene".

El segundo producto es la primera batería de litio asistida por grafeno de alta temperatura y larga duración de la industria lanzada por Huawei en diciembre de 2016. Los avances en la tecnología de baterías de iones de litio de alta temperatura asistida por grafeno provienen principalmente de tres aspectos: agregar aditivos especiales en el electrolito para eliminar los restos de agua y evitar la descomposición del electrolito a alta temperatura; El electrodo positivo de la batería está hecho de material ternario monocristalino grande modificado para mejorar la estabilidad térmica del material. Al mismo tiempo, el uso de nuevos materiales grafeno, baterías de iones de litio y el medio ambiente puede lograr una disipación de calor eficiente.

El tercer producto es la "batería de grafeno doméstica" fabricada por Dongxu fotoeléctrica y mejor, como lo mencionan los medios. El hecho es que el grafeno se usa en el diafragma ...

Por supuesto, hay una variedad de patentes sobre baterías de litio y grafeno en el mercado, pero solo en la etapa de patente. Samsung, Panasonic, LG y otros tienen solicitudes de patentes relacionadas con el grafeno. Actualmente, no existe una producción masiva de baterías de iones de litio a base de grafeno en el mercado.

4. Para resumir

El rendimiento del grafeno es sin duda excelente, pero ¿es adecuado para baterías de iones de litio? En resumen, el grafeno no es adecuado para baterías de iones de litio. Aquí hay algunas consideraciones:

1. Costo

El costo de usar grafeno como agente conductor es mucho más alto que el del negro de carbón común. El costo de la batería de litio es un factor de control clave, que no reduce el costo de las materias primas. Incluso si las propiedades eléctricas del grafeno son buenas, los fabricantes de baterías no pueden utilizar el costo de cientos de miles de toneladas de baterías.

2. Problemas de proceso

El principal problema tecnológico causado por la estructura en escamas del grafeno es la preparación de la suspensión de electrodos. La suspensión de electrodos debe tener buena fluidez, dispersabilidad y viscosidad adecuada. La dispersión de la hoja de grafeno en la suspensión de electrodos es un problema difícil, especialmente porque la suspensión no se puede dispersar añadiendo dispersantes. La superficie del grafeno es muy grande, lo que tiene una gran influencia en la estabilidad de sedimentación de la lechada, y no se puede garantizar la consistencia de cada lote, lo que afecta el rendimiento de la batería.

3. Otros factores

La estructura de escamas del grafeno inhibe la difusión de iones de litio, lo que probablemente cause una polarización severa de la batería y una menor capacidad de la batería. Los ricos grupos funcionales en la superficie del grafeno son pequeñas heridas en la superficie del grafeno. La adición excesiva no solo reducirá la densidad de energía de la batería, sino que también aumentará la cantidad de líquido absorbido por el electrolito. Por otro lado, aumentará las reacciones secundarias con el electrolito, lo que afectará la circularidad e incluso puede provocar problemas de seguridad.

Actualmente, la "batería de grafeno" reivindicada en el mercado es un concepto inexacto. Para ser precisos, se trata básicamente de añadir un poco de grafeno al material para mejorar el rendimiento de algunas baterías de litio. Se le puede llamar batería de iones de litio a base de grafeno. No se excluye que el grafeno se utilice como material de electrodo negativo para fabricar baterías de litio o supercondensadores en el laboratorio, pero los requisitos son relativamente altos. En resumen, el grafeno se puede utilizar como condimento para baterías de litio, pero no es adecuado como material principal.

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