¿Cuáles son las perspectivas del grafeno?

El grafeno es una película plana hexagonal con una red en forma de panal compuesta de átomos de carbono. Actualmente es el nanomaterial más delgado y duro del mundo. Su conductividad térmica es superior a la de los nanotubos de carbono y los diamantes. A temperatura ambiente, su movilidad de electrones es mayor que la de los nanotubos de carbono o los cristales de silicio, y su resistividad es menor que la del cobre o la plata.

El grafeno es el material más delgado, duro, caliente y conductor del mundo.

Se dice que fue "Tear" de Andrei Heim y Konstantin Novoselov en 2004 con cinta de grafito rasgado. Ambos eran físicos de la Universidad de Manchester en el Reino Unido debido al "grafeno bidimensional". El innovador experimento de materiales ganó el Premio Nobel de Física de 2010.

Más tarde, el grafeno fue ampliamente conocido como material mágico. En los últimos dos años, el grafeno también se ha disparado en el país. Las estadísticas muestran que en 2016, el tamaño total del mercado del grafeno en China superó los 4 mil millones de yuanes, y las ventas de productos relacionados con el grafeno alcanzaron alrededor de 3 mil millones de yuanes. El mercado de grafeno de China se expandirá rápidamente en 2017 y se espera que supere los 10 mil millones de yuanes, lo que lo convertirá en el mayor consumidor mundial de grafeno, según la alianza estratégica para la innovación tecnológica en la industria del grafeno.

El grafeno recibió instantáneamente el favor de todos los ámbitos de la vida. Sobre todo en los coches eléctricos, donde las baterías de grafeno se conocen popularmente como "cargar durante cinco minutos y correr mil kilómetros", mi madre ya no tiene que preocuparse por mi resistencia.

Entonces, ¿qué diablos es una batería de grafeno?

Las baterías de grafeno tienen una densidad energética de hasta 600 Wh / kg, mientras que una batería de litio (basada en las más avanzadas) tiene un valor energético específico de 180 Wh / kg.

En otras palabras, si un automóvil eléctrico quiere alcanzar la energía total de una batería de celda de energía, el peso de una celda de grafeno es solo un octavo del de una celda de energía normal (la celda de grafeno en sí misma pesa solo la mitad del peso de una celda de energía convencional). batería). En teoría, su vida útil también es cuatro veces mayor que la de las baterías hidrogenadas convencionales y el doble que la de las baterías de litio.

Sin embargo, Wikipedia no define actualmente las baterías de grafeno puro. Incluso la famosa batería de grafeno que fue cooperada por Graphenano y Córdoba en España, le dimos el doble de tiempo antes de que encontráramos un mechón de cabello para la producción en masa después de que Bragabout estaba a punto de entrar en producción en 2015.

En la actualidad, la mayoría de las llamadas baterías de grafeno en el mercado se agregan técnicamente a algo de grafeno en baterías como las de litio, y se utilizan con mayor frecuencia como materiales de soporte.

Veamos las posibles (pero solo posibles) aplicaciones del grafeno en baterías de iones de litio.

Como polo negativo:

1, grafeno solo para material negativo;

2, con otros nuevos materiales polares negativos, como materiales a base de silicio y estaño y compuestos de metales de transición para formar materiales compuestos;

3, aditivos conductores de electrodo negativo.

¿Se podría usar el grafeno solo como material de electrodo de litio?

Utilizado como perspectiva de industrialización del ánodo de batería de litio

La curva de carga y descarga del grafeno puro es muy similar a la de los materiales de carbón duro y carbón activado con una superficie específica alta. Ambos tienen las desventajas de una eficiencia extremadamente baja del Coulomb del primer ciclo, una plataforma de carga y descarga alta, un retraso potencial grave y una estabilidad de ciclo deficiente. Estos problemas son en realidad las características electroquímicas básicas de los materiales de carbono desordenados en la superficie de alta especificidad.

La compactación y la densidad de compactación del grafeno son muy bajas y el costo es extremadamente elevado. No hay posibilidad de reemplazar los materiales de grafito directamente como electrodos negativos para baterías de iones de litio. Dado que no es factible usar grafeno solo como polo negativo, ¿qué pasa con los materiales de electrodo negativo compuesto de grafeno?

El grafeno y otros nuevos materiales polares negativos, como los materiales a base de silicio y estaño y los compuestos de formación de compuestos de metales de transición, son actualmente las áreas de investigación más populares para la "electricidad de litio nanométrica" y han publicado miles de artículos en los últimos años. El principio de la composición es utilizar la flexibilidad de la capa de grafeno para amortiguar la expansión de volumen de estos materiales de electrodos de alta capacidad durante el ciclo. Por otro lado, la excelente conductividad eléctrica del grafeno puede mejorar el contacto eléctrico entre las partículas del material para reducir la polarización. Todos estos factores pueden mejorar las propiedades electroquímicas de los composites.

Sin embargo, no es que solo el grafeno pueda lograr mejores resultados. Usando tecnologías y procesos convencionales de compuestos de material de carbono, se pueden lograr propiedades electroquímicas similares o incluso mejores. Por ejemplo, los materiales de electrodo negativo compuesto de Si / C, en comparación con los procesos compuestos de método seco ordinario, el grafeno compuesto no mejora significativamente el rendimiento electroquímico del material, pero debido a la dispersión del grafeno y los problemas de compatibilidad, la complejidad del proceso aumenta. . Y afecta la estabilidad del lote.

Si se consideran el costo del material, el proceso de producción, la capacidad de procesamiento y las propiedades electroquímicas, la posibilidad de que el grafeno o los materiales compuestos de grafeno se utilicen realmente para la electronegatividad del litio es muy pequeña.

Como polo positivo:

Se utiliza principalmente como agente conductor que se añade al electrodo positivo de fosfato de hierro para mejorar el multiplicador y el rendimiento a baja temperatura; También hay estudios sobre la mejora de las propiedades cíclicas añadidas al fosfato de litio y manganeso y al fosfato de litio y vanadio.

No hay ninguna ventaja obvia en su uso como agente conductor.

Pasemos a hablar sobre la posibilidad de que el grafeno se utilice como agente conductor. Hoy en día, los agentes conductores comúnmente utilizados en la electricidad de litio incluyen negro de carbón conductor, negro de acetileno, negro de cilantro, Super-P, etc. Los fabricantes de baterías también han comenzado a utilizar fibra de carbono (VGCF) y nanotubos de carbono (CNT) como conductores. agentes en baterías de energía.

El principio de que el grafeno se utiliza como agente conductor es la excelente capacidad de transmisión electrónica provocada por su estructura especial de superficie bidimensional de alta especificidad. Según los datos de prueba acumulados, VGCF, CNT y grafeno tienen una cierta mejora en el rendimiento de aumento en comparación con Super-P, pero la diferencia en el rendimiento electroquímico entre los tres es pequeña y el grafeno no muestra ventajas obvias.

Entonces, ¿es posible agregar grafeno para permitir que el material del electrodo explote? La respuesta es no. Tome la batería del iPhone como ejemplo. El aumento en la capacidad de la batería se debe principalmente al aumento en el voltaje de operación de LCO, aumentando el voltaje de carga superior de 4.2 V a 4.35 V en el i-Phone6 actual. Esto aumenta gradualmente la capacidad de LCO de 145 mAh / ga 160-170 mAh / g (el LCO de alta presión debe pasar por el dopaje de la fase corporal y el recubrimiento de la superficie y otras medidas de modificación), y estas mejoras no tienen nada que ver con el grafeno.

Es decir, si usa óxido de litio y cobalto con un voltaje de corte de 4,35 V y una capacidad de 170 mAh / g, es imposible aumentar la capacidad de litio cobalto a 180 mAh / g por la cantidad de grafeno que agrega. Por no hablar de las llamadas "baterías de grafeno" que tienden a aumentar la capacidad varias veces. ¿Agregar grafeno podría aumentar la vida útil de la batería? Esto también es imposible. El grafeno tiene una superficie más grande que el CNT, y la adición de polos negativos solo puede formar más SEI y consumir iones de litio, por lo que el CNT y el grafeno generalmente solo se pueden agregar a los polos positivos para mejorar la ampliación y el rendimiento a baja temperatura.

Sin embargo, los ricos grupos funcionales en la superficie del grafeno son pequeñas heridas en la superficie del grafeno. Agregar demasiado no solo reducirá la densidad de energía de la batería, sino que también aumentará la cantidad de absorción de líquido electrolítico. Por otro lado, también aumentará la reacción secundaria con el electrolito y afectará la circulación. El sexo puede incluso provocar problemas de seguridad. ¿Qué pasa con los costos? En la actualidad, la producción de grafeno es extremadamente cara y los productos llamados "grafeno" baratos en el mercado son básicamente óxidos de grafeno.

Incluso el óxido de grafeno cuesta más que el CNT y el CNT cuesta más que el VGCF. Y en términos de fragmentación y capacidad de procesamiento, VGCF es más fácil de operar que CNT y grafeno, que es la razón principal por la que VGCF de Showa Electric está ingresando gradualmente al mercado de celdas de energía. Se puede ver que el grafeno se usa como aditivo conductor y actualmente no tiene ventajas con CNT y VGCF en términos de precio-rendimiento.

¿Cuáles son las aplicaciones reales del grafeno?

La futura aplicación del grafeno en baterías de iones de litio tiene pocas perspectivas. En comparación con las baterías de iones de litio, las perspectivas de aplicación del grafeno para supercondensadores, especialmente supercondensadores en miniatura, parecen ser un poco más fiables, pero todavía tenemos que estar atentos a algunas exageraciones académicas.

De hecho, al observar muchos de estos llamados "avances académicos", encontrará que muchos profesores han confundido intencional o involuntariamente algunos conceptos básicos en su artículo. En la actualidad, los supercondensadores comerciales de carbón activado tienen una densidad de energía de 7-8Wh / kg, que se refiere a la densidad de energía del dispositivo de todo el supercondensador que contiene todos los componentes. Los avances mencionados por los profesores generalmente se refieren a la densidad de energía del material, por lo que el suministro real de superpotencia de grafeno no es tan bueno como se menciona en el documento.

Por el contrario, los requisitos de costo de los micro-supercondensadores no son tan estrictos como los de los condensadores ordinarios. Los compuestos de grafeno se utilizan como materiales activos electroquímicos y se seleccionan electrolitos líquidos iónicos adecuados. Es posible lograr las ventajas duales de los condensadores convencionales y las baterías de iones de litio. Dispositivos de almacenamiento de energía, en áreas de nicho como los sistemas microelectromecánicos (MEMS), puede (solo posible) haber algún valor de aplicación.

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