Interpretación del origen y situación actual del conductor de batería de litio y grafeno

Con los problemas energéticos y ambientales cada vez más destacados, el desarrollo de nuevas fuentes de energía y la promoción de vehículos eléctricos se han convertido en la tendencia general. Como los dispositivos de almacenamiento de energía más importantes, las baterías de iones de litio han recibido mucha atención por parte de los investigadores y la industria. Se han desarrollado varios materiales clave nuevos para las baterías de iones de litio. Se ha promovido el rápido desarrollo de las baterías de iones de litio. Los materiales positivos de baterías de iones de litio ampliamente utilizados actualmente incluyen ácido de cobalto de litio (LiCoO2, LCO), manganato de litio (LiMn2O4, LMO), fosfato de hierro y litio (LiFePO4, LFP) y materiales ternarios (LiNix CoyMn1xyO2, NCM), etc. a la baja conductividad de los materiales de los electrodos positivos antes mencionados, es necesario añadir agentes conductores a las partículas del material para construir redes conductoras electrónicas que proporcionen un acceso rápido para la transmisión electrónica. Y ...

Las reacciones electroquímicas en las baterías de iones de litio requieren que los electrones y los iones de litio alcancen la superficie del material activo al mismo tiempo, por lo que los electrones pueden participar en la reacción electroquímica a tiempo para lograr un buen rendimiento del material activo polar positivo. Si no se usa el agente conductor, la polarización óhmica dentro de la batería aumenta. La capacidad de la batería se reducirá significativamente. Por lo tanto, el agente conductor también es un material clave en las baterías de iones de litio, que puede garantizar el desarrollo completo de la capacidad del material activo y desempeña un papel importante en la mejora del rendimiento de las baterías de iones de litio.

Por otro lado, dado que el agente conductor en sí mismo no proporciona capacidad durante el proceso de carga y descarga, a menudo se espera que el uso de agentes conductores se minimice mientras se asegura que la capacidad de la sustancia activa se usa para aumentar la proporción de sustancias activas. en el electrodo positivo. Por tanto, se mejora la densidad de energía de la masa de la batería. Los agentes conductores que se utilizan actualmente suelen ser materiales de carbono como el negro de carbono conductor, el grafito conductor y las nanopartículas de carbono. Dado que estos materiales de carbono tienen una densidad baja en relación con el material activo, la reducción del uso de agentes conductores puede aumentar significativamente la densidad de energía volumétrica de la batería.

El grafeno es un nuevo tipo de material de nanocarbono con características de estructura geométrica y propiedades físicas únicas. Desde 2010, ha sido el primero en ser utilizado como agente conductor en baterías de iones de litio comercializadas. El grupo llevó a cabo una investigación sistemática sobre los agentes conductores del grafeno. El grafeno como agente conductor tiene las características de "suavidad a delgadez a densidad" y tiene las siguientes cuatro ventajas:

(1) La conductividad electrónica es alta y el uso de una cantidad muy pequeña de grafeno puede reducir efectivamente la polarización óhmica dentro de la batería;

(2) Estructura de capa de película bidimensional. En comparación con las partículas de negro de carbono de dimensión cero y los nanotubos de carbono unidimensionales, el grafeno puede lograr un contacto de "punto frontal" con sustancias activas con umbrales de conductividad más bajos. Y es posible construir una red conductora en el electrodo desde un espacio espacial más grande para lograr una "conductividad eléctrica de largo alcance" en todo el electrodo (el tamaño de los materiales de grafeno obtenidos por diferentes métodos de preparación es diferente; el tamaño del grafeno La capa de lámina obtenida por reducción térmica de óxido de piedra fue de aproximadamente 2 um).

(3) Propiedades ultrafinas, el grafeno es un sólido superficial típico, en comparación con el negro de humo con una capa de carbono multi-sp2, grafito conductor y nanotubos de carbono de paredes múltiples, todos los átomos de carbono en el grafeno pueden exponerse para transferencia de electrones, eficiencia atómica, por lo tanto , puede formar una red conductora completa con la menor cantidad de uso y mejorar la densidad de energía de la batería;

(4) Alta flexibilidad, puede estar en buen contacto con el material activo, amortiguar la expansión y contracción del volumen del material activo durante el proceso de carga y descarga, inhibir el efecto de rebote del electrodo y garantizar el buen rendimiento de reciclaje de la batería.

Debido a las ventajas anteriores, las baterías de iones de litio basadas en conductores de grafeno pueden lograr una construcción densa. Los conductores de grafeno con las características de "suavidad a delgadez a densidad" muestran una buena perspectiva de aplicación. En comparación con la idea de convertir materiales de grafeno y cátodos en materiales de electrodos compuestos, el uso directo como conductor de baterías de iones de litio sería la primera aplicación industrial de materiales de grafeno.

Aunque el grafeno tiene una ventaja muy obvia sobre otros agentes conductores en términos de conductividad electrónica, todavía existen muchos cuellos de botella en el proceso de aplicación real. Por un lado, dentro del electrodo, su estructura plana transmitirá iones. El efecto de impedimento estérico. Este efecto es más obvio, especialmente en un gran multiplicador de corriente.

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