El importante papel del grafeno en las baterías de litio

El rendimiento del grafeno es indudable, pero ¿es necesariamente adecuado para baterías de iones de litio? La "batería de grafeno" actualmente reivindicada en el mercado es un concepto inexacto. Precisamente hablando, se trata básicamente de añadir un poco de grafeno al material para mejorar el rendimiento de la batería de litio. Se le puede llamar batería de litio basada en grafeno. No se excluye que el grafeno se utilice como material de electrodo negativo en el laboratorio para fabricar baterías de litio o supercondensadores, 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, una película plana de capa monoatómica compuesta por átomos de carbono, tiene un grosor de solo 0,34 nm, y el grosor de una sola capa equivale a una quinta parte del diámetro del cabello. Es el nanomaterial más delgado y duro que se conoce en el mundo. Tiene buena transmisión de luz y se puede plegar. Debido a que solo hay una capa de átomos, el movimiento de los electrones se limita a un plano y el grafeno también tiene nuevas propiedades eléctricas. El grafeno tiene una superficie específica de aproximadamente 2630 m 2 / gy una conductividad térmica de 5000 W / m; k.

Propiedades eléctricas: el grafeno tiene propiedades portadoras únicas y una propiedad de fermión de Dirac sin masa. Su movilidad de electrones puede alcanzar 2 × 105cm2 / Vt; s, aproximadamente 140 veces la movilidad de los electrones en el silicio, 20 veces la de arseniuro de galio, la estabilidad a altas temperaturas, la conductividad eléctrica hasta 108 Ω / my la resistencia superficial son aproximadamente 31 Ω. / sq (310 Ω / m2), más bajo que el cobre o la plata, es el mejor material conductor a temperatura ambiente.

Además, el efecto Hall cuántico semi-entero de los portadores de electrones y portadores de huecos en el grafeno se puede observar cambiando el potencial químico por un campo eléctrico, y Novoselov et al. Observó el Hall cuántico del grafeno a temperatura ambiente. efecto.

2. El papel del grafeno en las baterías de litio

Es preciso porque el grafeno tiene el efecto de tamaño nanométrico anterior, una gran superficie específica, buena conductividad eléctrica y excelentes propiedades mecánicas. El grafeno ha sido ampliamente estudiado por científicos de todo el mundo y ha producido una "batería de grafeno de litio". En este concepto, ¿qué papel juega el grafeno en las baterías de litio?

1) material de ánodo

El grafeno tiene el potencial de reemplazar al grafito como una nueva generación de materiales de ánodo de baterías de litio debido a su estructura bidimensional única, excelente capacidad de transporte de electrones y gran área de superficie específica. El mecanismo de almacenamiento de litio del grafeno es similar al de otros materiales de carbono. Al cargar, los iones de litio se separan del electrodo positivo y se forman en Li2C6 a través de la capa de material de carbono intercalado con electrolito. Al descargar, los iones de litio se extraen y se devuelven al electrodo positivo. Debido a la estructura bidimensional especial del grafeno, cuando el espaciado entre capas es superior a 0,7 nm, ambos lados del grafeno pueden almacenar iones de litio, y el litio se puede almacenar debido a la presencia de arrugas en el grafeno, por lo que la capacidad teórica puede ser grafito. Dos veces, por encima de 744 mAh / g.

Además, el grafeno tiene principalmente un tamaño micro-nano, mucho más pequeño que el grafito a granel, lo que hace que la ruta de difusión de los iones de Li sea más corta. El espaciamiento de las capas del grafeno suele ser mucho mayor que el del grafito, que también proporciona más canales para el transporte 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 presentó el concepto de batería de grafeno, muchos resultados de investigación académica muestran que la capacidad reversible de una batería de grafeno de litio puede alcanzar más de 500 mAh / gy tiene un rendimiento de velocidad excelente. El electrodo negativo de iones de litio preparado en condiciones de laboratorio se prepara principalmente mediante un método CVD, reducción de hidrazina, filtración por succión al vacío, método de liofilización, etc., o está en forma de escamas o esferas huecas, que son diferentes.

2) Grafeno como agente conductor

La función principal del agente conductor es aumentar la conductividad electrónica. Dado que el electrolito es conductor de iones y los electrones no son conductores, el agente conductor promueve el paso rápido de electrones a través del material vivo hasta el colector de corriente. Además, el agente conductor también puede mejorar la procesabilidad de la pieza polar, promover la infiltración del electrolito en la pieza polar, reducir la resistividad eléctrica y, por lo tanto, mejorar la vida útil de la batería de litio.

En la actualidad, los agentes conductores comúnmente utilizados son SP, negro de acetileno, etc. El negro de carbón convencional es esférico y se mezcla más fácilmente entre sí cuando se mezcla con el material activo, pero la forma de contacto es de contacto puntual, lo que limita la esfuerzo del efecto conductor y aumenta la adición del agente conductor. La cantidad. Por otro lado, el grafeno es una estructura en forma de hoja, y el contacto con el material activo es un contacto de punto a superficie, lo que puede maximizar la función del agente conductor y similares, y reducir la cantidad del agente conductor. haciendo posible así utilizar más el material activo y aumentar la capacidad de la batería de litio. Sin embargo, la forma de hoja del grafeno también es su inconveniente. El grafeno en forma de lámina es más difícil de dispersar en el disolvente y es más probable que se aglomere, pero es necesario aumentar la cantidad de grafeno. Al mismo tiempo, su estructura de hoja no favorece la difusión de iones de litio, lo que resulta en una mayor resistencia interna de la celda y una falla acelerada de la batería.

En teoría, la conductividad ultrarrápida del grafeno puede mejorar el rendimiento de la batería, pero el hecho es que la capa monolítica de grafeno dificulta la difusión de iones de litio, especialmente en el caso de carga y descarga de gran velocidad, la polarización interna. de la batería aumenta y la batería se descarga. La capacidad se reduce. Estudios relacionados han demostrado que la sustitución parcial del negro de humo conductor por grafeno puede reducir la cantidad de agente conductor y aumentar la densidad de energía de la batería hasta cierto punto en condiciones de descarga de baja velocidad.

3. ¿Proceso de industrialización de baterías de litio y grafeno?

Los ejemplos exitosos de materiales de ánodo de grafeno y agentes conductores de grafeno preparados en condiciones de laboratorio y de investigación y desarrollo proporcionan una base de investigación científica sólida para la comercialización de baterías de iones de litio de grafeno en la producción industrial, entonces, ¿cuál es la realidad de las baterías de grafeno de litio? ¿Qué?

El primer producto fue el producto "Ene King" lanzado por Dongxu Optoelectronics en 2016. El 8 de julio de 2016, Dongxu Optoelectronics celebró una conferencia de prensa para baterías de iones de litio basadas en grafeno en Diaoyutai, y lanzó la primera batería de litio basada en grafeno del mundo. producto de batería de iones, "Alkenwang".

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. El avance de la tecnología de batería de iones de litio de alta temperatura asistida por grafeno proviene principalmente de tres aspectos: agregar aditivos especiales a la electrolito para eliminar las trazas de agua y evitar la pirólisis del electrolito; el electrodo positivo de la batería está modificado por grandes materiales ternarios monocristalinos. La estabilidad térmica del material; Al mismo tiempo, el uso de grafeno nuevo material puede lograr una disipación de calor eficiente entre la batería de iones de litio y el medio ambiente.

El tercer producto es la “batería de grafeno doméstica” fabricada por Dongxu Optoelectronics y Best por los medios. El hecho es que el grafeno se usa en el diafragma ...

Por supuesto, hay una variedad de patentes de baterías de grafeno y litio en el mercado, pero solo se encuentran en la etapa de patente. Incluidos Samsung, Panasonic, LG, etc., todos tienen solicitudes de patente relacionadas con el grafeno. En la actualidad, no existe ninguna empresa en el mercado para la producción en masa de baterías de iones de litio a base de grafeno.

4. Resumen

El rendimiento del grafeno es indudable, pero ¿es necesariamente adecuado para baterías de iones de litio? En la serie pequeña, el grafeno no es adecuado para baterías de iones de litio, considere lo siguiente:

1.Problema de costes

El costo de usar grafeno como agente conductor es mucho más alto que el del negro de carbón común. El costo de una batería de litio es un factor de control clave y el costo de las materias primas no se reduce. Incluso si las propiedades eléctricas del grafeno son buenas, una tonelada de cientos de miles de fabricantes de baterías costosos tampoco pueden permitírselo.

2. Problemas de proceso

El problema del proceso causado por la estructura en forma de hoja del grafeno es principalmente la preparación de la pasta de electrodos. Se requiere que la pasta de electrodos tenga buena fluidez, dispersabilidad y viscosidad adecuada. La dispersión de grafeno en escamas en la pasta de electrodos es un problema muy difícil, especialmente en el caso en el que la pasta de electrodos no puede agregar un dispersante para ayudar a la dispersión. La superficie del grafeno es grande, lo que tiene una gran influencia en la estabilidad de sedimentación de la lechada y no puede garantizar la consistencia de cada lote y afectar el rendimiento de la batería.

3. Otros factores

La estructura en forma de hoja del grafeno inhibe la difusión de iones de litio, lo que tiende a causar una polarización grave de la batería, lo que resulta en una disminución de la capacidad de la batería. El rico grupo funcional en la superficie del grafeno es una pequeña herida en la superficie del grafeno. Agregar demasiado no solo reducirá la densidad de energía de la batería, sino que también aumentará la absorción de líquido del electrolito. Por otro lado, aumentará la reacción secundaria con el electrolito y afectará el ciclo. Incluso puede haber problemas de seguridad.

La "batería de grafeno" actualmente reivindicada en el mercado es un concepto inexacto. Hablando con precisión, básicamente agregar un poco de grafeno al material para mejorar el rendimiento de la batería de litio se puede llamar batería de litio basada en grafeno. No se excluye que el grafeno se utilice como material de electrodo negativo en el laboratorio para fabricar baterías de litio o supercondensadores, 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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