¿Los conductores de grafeno son adecuados para baterías de iones de litio para almacenamiento de energía?

Como supermaterial, con excelentes propiedades electroquímicas y mecánicas, ha atraído una gran atención. En 2015, el secretario general Xi Jinping visitó el Instituto Nacional de Grafito de la Universidad de Manchester en el Reino Unido durante su visita al Reino Unido. Posteriormente, la compañía anunció que invertiría millones de libras en un estudio con el Instituto sobre el futuro de las aplicaciones del grafeno en la tecnología de la información y las comunicaciones. En el mercado nacional de acciones A, también ha habido una tormenta de especulaciones conceptuales sobre los materiales de grafeno. Todas las acciones relacionadas con el concepto de grafeno se han disparado, y muchas compañías de baterías han anunciado que han desarrollado "la primera batería de grafeno del mundo". Aunque se trata de bombas de humo lanzadas por los fabricantes de baterías, también han llamado la atención de todos y atraído atención generalizada.

De hecho, la mayoría de las baterías de grafeno usan solo una pequeña cantidad de grafeno como agente conductor para las baterías de iones de litio, agregando menos del 1%, y es esencialmente una batería de iones de litio. Es solo un truco publicitario con grafeno. Baterías de grafeno de Huawei: simplemente utilizando el grafeno como una ayuda para la disipación de calor para las baterías de iones de litio para mejorar la capacidad de las baterías de iones de litio para funcionar a altas temperaturas, el grafeno no participa en las reacciones electroquímicas dentro de las baterías de iones de litio. Estrictamente hablando, solo se pueden llamar baterías de iones de litio mejoradas con grafeno.

De hecho, bajo las capacidades técnicas existentes, teniendo en cuenta las limitaciones de costes y otros factores, el grafeno se utiliza actualmente principalmente como agente conductor y método auxiliar de disipación de calor para baterías de iones de litio. Los conductores de baterías de iones de litio tradicionales, como el negro de humo SP, la fibra de carbono VGCF, etc., están en contacto con sustancias activas, lo que limita el uso de propiedades conductoras y aumenta la cantidad de agentes conductores añadidos. En cambio, el grafeno es una estructura escamosa. El contacto con el material activo es un contacto puntual-superficie. Puede maximizar el papel de los agentes conductores, reducir la cantidad de agentes conductores y aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio, pero el mejor material También hay deficiencias, la estructura escamosa del grafeno, obstaculizará la difusión de iones de litio. A una gran densidad de corriente de trabajo, la impedancia de difusión de Li + aumentará, lo que provocará una disminución en el rendimiento del multiplicador de la batería. Hoy, el pequeño editor llevó a todos a analizar las ventajas y desventajas del grafeno como agente conductor de las baterías de iones de litio.

El profesor Yangquanhong de la Universidad de Tianjin es un erudito senior en la industria del grafeno. En un artículo publicado en Nano Energy en 2012, estudió las ventajas y desventajas del grafeno como agente conductor para baterías de iones de litio. En el estudio de la Sra. Yang, se utilizó una batería comercial de iones de litio cuadrada "LiFePO4 / grafito" de 10 Ah. Los estudios han demostrado que reemplazar los agentes conductores tradicionales en las baterías de iones de litio con una pequeña cantidad (1%) de grafeno no solo puede aumentar la proporción de sustancias químicas, sino también reducir significativamente la impedancia de las baterías de iones de litio, sino también debido al grafeno La estructura de la hoja , Creará un gran obstáculo para la rápida difusión de Li +, por lo que se carga y descarga a altas corrientes (& GT; Cuando 3C), causará una gran polarización de las baterías de iones de litio y afectará la capacidad de descarga de iones de litio baterías. Este estudio muestra que el grafeno es adecuado para su aplicación como agente conductor en algunos casos donde la relación de carga y descarga de las baterías de iones de litio no es alta. La adición de grafeno puede aumentar significativamente la proporción de sustancias activas, reducir la impedancia de los electrodos y aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio. Sin embargo, algunos grafeno no son adecuados para su uso en baterías eléctricas (tasa de duplicación de carga y descarga & GT; 3C ) como agente conductor.

En el experimento, el equipo de Yangquanhong produjo dos tipos de baterías, una de las cuales era una batería de grupo de control ordinaria, utilizando un 7% de negro de humo y un 3% de grafito conductor. El grupo experimental utilizó 1% de grafeno y 1% de negro de humo. Como agente conductor. Los resultados de la prueba muestran que bajo la misma cantidad de recubrimiento, la capacidad de la batería del grupo experimental que usa grafeno (carga y descarga de 0.5 C) es significativamente mayor que la de la batería del grupo de control, y las propiedades cíclicas de los dos son similares, lo que indica que se puede construir el grafeno. Red conductora más eficiente, para reducir la cantidad de agentes conductores, aumente la capacidad de las baterías de iones de litio (10%), reduzca la polarización de las baterías y aumente la densidad de energía de las baterías.

En el experimento de duplicación posterior, se encontró que la batería conductora de grafeno en el grupo experimental tenía mayor capacidad y menor polarización que la batería del grupo de control a tasas de carga y descarga de 0.5 C, 1C y 2C. Sin embargo, cuando la tasa de duplicación de carga y descarga se incrementó a 3 ° C, la capacidad de la batería en el grupo experimental cayó rápidamente por debajo de 4 Ah, mientras que la capacidad de la batería en el grupo de control se mantuvo en aproximadamente 9 Ah, y la tasa de duplicación de descarga continuó aumentando a 4 ° C. . Batería conductora de grafeno debido a demasiada polarización, la descarga ya no era posible, pero el grupo de control era relativamente estable.

El análisis EIS mostró que la impedancia óhmica de las baterías del grupo experimental de grafeno agregadas fue significativamente menor que la de las baterías del grupo de control. Esto se debió principalmente al hecho de que la estructura escamosa de grafeno pudo formar un buen contacto con las partículas de material activo y reducir la resistencia al contacto. Sin embargo, a la impedancia de intercambio de carga de alta frecuencia, las baterías del grupo experimental fueron significativamente más altas que las baterías del grupo de control, lo que indica que la adición de grafeno afectó la difusión de Li + dentro del electrodo. Los resultados de la simulación muestran que principalmente debido a que la estructura escamosa del grafeno dificulta la difusión de Li +, lo que resulta en la extensión de la ruta de propagación de Li +, lo que resulta en un aumento en la polarización de la batería de iones de litio añadida con grafeno en la gran corriente, resultando en la capacidad de descarga de la batería. Disminución. Los materiales tradicionales como el negro de humo, la fibra de carbono conductora y el grafito conductor tienen secciones transversales pequeñas, por lo que tienen menos obstáculos para la difusión de Li + y tienen poco efecto en el rendimiento de grandes descargas de corriente en baterías de iones de litio.

El estudio muestra que aunque el grafeno como agente conductor puede aumentar significativamente la conductividad del electrodo, reducir la cantidad de agente conductor y aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio, no todas las baterías de iones de litio son adecuadas para usar el grafeno como agente conductor. ., En algunas áreas donde la demanda de corrientes de carga y descarga no es alta, como almacenamiento de energía, equipos electrónicos, etc., la corriente de trabajo es pequeña y es adecuada para reemplazar los agentes conductores tradicionales por grafeno. Sin embargo, en algunas áreas donde se requiere que las corrientes de carga y descarga sean altas, como baterías de alta potencia, baterías eléctricas, etc., el grafeno hará que las baterías de iones de litio aumenten la polarización en condiciones de alta corriente y no es adecuado para el grafeno como agente conductor.

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