¿Son tan geniales las baterías de grafeno de litio?

Desde que los físicos AndreGeim y KonstantinNovoselov de la Universidad de Manchester, Reino Unido, compartieron el Premio Nobel de Física 2010 por sus "experimentos innovadores con materiales de grafeno bidimensionales", cualquier noticia o investigación sobre el grafeno ha recibido mucha atención. Entonces, ¿cuáles son las posibles ventajas de la recarga de baterías de grafeno y litio? Por ejemplo, la popular batería de litio con carga móvil hace que la audiencia esté llena de expectativas por la aplicación de esta tecnología.

También pregunto a menudo al ganado de investigación y desarrollo de la compañía: "¿El grafeno ahora puede producirse en masa?" ¿Se dice que las baterías de grafeno de litio son tan poderosas que pueden cargarse completamente en segundos? De hecho, para un profesional a menudo sólo puede tener que responder, como la electricidad no tengo experiencia en electroquímica o ciencia de materiales, es difícil entender esas oscuras teorías profesionales.

El autor combina respuestas profesionales y varios datos para ordenar el siguiente contenido para que lo veas, en la tecnología actual cambia con cada día que pasa, es realmente difícil decir esas ideas e ideas avanzadas, ahora parece una exageración, tal vez ese día se convertirá en una realidad.

Que es el grafeno

El grafeno (agregue grafeno) es un material bidimensional que consta de átomos de carbono con orbitales hibridados sp2 para formar una película plana hexagonal con celosía de panal y solo un átomo de carbono de espesor. El grafeno es actualmente el nanomaterial más delgado pero más duro del mundo. Es casi completamente transparente y absorbe solo el 2,3% de la luz. La conductividad térmica es de hasta 5300 W / m · K, más alta que la de los nanotubos de carbono y el diamante, a temperatura ambiente su movilidad de electrones es de más de 15000 cm2 / V · s, y más alta que la de los nanotubos de carbono o los cristales de silicio, y la resistividad es de solo 10 8 1% m, menor que el cobre o la plata, la resistividad del material más pequeña del mundo.

Los más delgados, los más duros, los más conductores de calor, los más conductores de la electricidad, todos estos anillos le dicen a la gente lo asombroso que es el grafeno. Sin embargo, el autor debe recordar que el grafeno solo se puede llamar grafeno según la definición internacional de nanohojas de 1-2 capas, y solo el grafeno sin defectos tiene estas propiedades perfectas, mientras que el grafeno real producido es principalmente multicapa y tiene defectos.

Calidad y métodos de producción actuales

Decapado mecánico: el equipo de Geim produjo grafeno a mano con cinta 3M, pero el rendimiento fue tan bajo y el grafeno resultante fue tan pequeño que no era probable que el método fuera comercialmente viable.

Método de deposición de vapor químico (CVD): el método de deposición de vapor químico se utiliza principalmente para preparar películas delgadas de grafeno. A alta temperatura, el metano y otros gases se depositan en la superficie del sustrato metálico (lámina de Cu) para el craqueo catalítico y luego se forma el grafeno. La ventaja del método CVD es que puede hacer crecer películas de grafeno con un área grande, alta calidad y buena uniformidad, pero la desventaja es que es difícil de transferir debido al alto costo y al proceso complejo, y las películas de grafeno generalmente cultivadas son policristalinas.

Método de oxidación-reducción: el método de oxidación-reducción se refiere a la reacción del grafito natural con un ácido fuerte y sustancias oxidantes fuertes para generar óxido de grafito (GO), que se dispersa por ultrasonido para preparar óxido de grafeno y luego se agrega con reductor para eliminar el oxígeno. que contiene grupos en la superficie de óxido de grafito para obtener grafeno. El método de oxidación-reducción se ha convertido en el método más común para la producción de grafeno debido a su bajo costo y fácil realización. Sin embargo, el líquido residual generado por este método tiene una grave contaminación ambiental. El grafeno preparado es generalmente grafeno multicapa o grafeno microcristalino en lugar de grafeno en el sentido estricto, y algunas propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno se pierden debido a defectos del producto.

Método de extracción por solvente: el principio del método de extracción por solvente es que una pequeña cantidad de grafito se dispersa en el solvente para formar una solución de dispersión de baja concentración. El efecto del ultrasonido se utiliza para destruir la fuerza de van der Waals entre las capas de grafito. El disolvente se inserta entre las capas de grafito y las capas se pelan para producir grafeno. Este método no destruye la estructura del grafeno, ya que el método de oxidación-reducción puede producir grafeno de alta calidad. La desventaja es que el costo es alto y la tasa de producción es muy baja, la producción industrial es difícil.

Además, los métodos de preparación del grafeno incluyen el método térmico con disolvente, la reducción de alta temperatura, la reducción de la luz, el método de crecimiento de cristales epitaxiales, el método de microondas, el método de arco, el método electroquímico, etc., que no son tan comunes como los cuatro métodos mencionados anteriormente.

Aquí, presentamos un nuevo término: RGO. En general, el go está hecho de grafito oxidado por un ácido fuerte y luego reducido por reducción química o choque térmico. En la actualidad, la gran mayoría de los denominados "grafeno" en el mercado son óxido de grafeno producido por el método de oxidación-reducción. La cantidad de láminas de grafito varía y hay muchos defectos y grupos funcionales en la superficie, ya sea que las propiedades eléctricas, térmicas o mecánicas sean diferentes a las del grafeno ganador del Premio Nobel. Técnicamente no son "grafeno".

El término "batería de grafeno" está de moda en este momento. De hecho, el término "batería de grafeno" no existe en la academia ni en la industria internacional de baterías de litio. Así que la "batería de grafeno y litio" es un concepto realmente emocionante.

Según graphene-info, el sitio web líder sobre grafeno en los Estados Unidos, la "batería de grafeno" se define como una batería hecha de grafeno añadido a los materiales de los electrodos. En mi opinión, esta explicación es obviamente engañosa. Según la nomenclatura electroquímica clásica, la batería de iones de litio comúnmente utilizada en los teléfonos inteligentes debe denominarse "batería de litio-cobalto-grafito".

Se conoce como la "batería de iones de litio, porque las baterías de iones de litio SONY 18650 en el mercado en 1991, cuando se considera que la nomenclatura clásica es demasiado compleja, la persona promedio no puede recordar, y el proceso de carga y descarga se implementa mediante migración de iones de litio, sistema no contiene metal de litio, por lo que se denomina "batería de iones de litio" .Al final, el nombre "batería de iones de litio" fue ampliamente aceptado en todo el mundo, lo que también reflejó la contribución especial de SONY en el campo de las baterías de litio.

En la actualidad, casi todas las baterías comerciales de iones de litio están hechas de materiales anódicos de tipo grafito. En el caso de propiedades de electrodo negativo similares, el rendimiento de las baterías de iones de litio depende en gran medida de los materiales del ánodo. Así que ahora las baterías de iones de litio también tienen la costumbre de llamarlas por el ánodo. Por ejemplo, la batería de fosfato de hierro y litio BYD (la llamada "batería de hierro" no está en el alcance de la discusión del autor), la batería de ácido de cobalto de litio, la batería de ácido de manganeso y litio, la batería ternaria, etc., son todas para el electrodo positivo .

El grafeno tiene una posible (pero única) aplicación en las baterías de litio

Negativo:

1. El grafeno se utiliza únicamente para materiales de ánodos;

2. Formar materiales compuestos con otros nuevos materiales de cátodos, como materiales a base de silicio y estaño y compuestos de metales de transición;

Aditivo conductor negativo.

Electrodo positivo: se utiliza principalmente como agente conductor añadido al electrodo positivo de fosfato de hierro y litio para mejorar la relación y el rendimiento a baja temperatura; También hay estudios sobre la mejora del rendimiento cíclico del fosfato de litio y manganeso y el fosfato de litio y vanadio.

El rendimiento real del papel de aluminio con revestimiento funcional de grafeno no es mucho mejor que el del papel de aluminio con revestimiento de carbono ordinario (desarrollado por A123 junto con Hankel). Por el contrario, el costo y la complejidad del proceso han aumentado mucho, lo que hace muy poco probable la comercialización de esta tecnología.

A partir del análisis anterior, está claro que solo hay dos áreas posibles para que el grafeno juegue un papel en las baterías de iones de litio: se usa directamente en materiales de cátodos y aditivos conductores.

La posibilidad de que el grafeno se utilice solo como material de ánodo de litio

La curva de carga-descarga del grafeno puro es muy similar a la de los materiales de carbón duro y carbón activado con un área de superficie específica alta, los cuales tienen las desventajas de una eficiencia de culombio del ciclo inicial muy bajo, una plataforma de carga-descarga demasiado alta, un retraso potencial grave y mala estabilidad en bicicleta. Estos problemas son en realidad las características electroquímicas básicas de los materiales de carbono desordenados con una superficie específica alta.

El grafeno tiene densidades de vibración y compactación muy bajas y es extremadamente caro, por lo que no hay posibilidad de utilizar directamente el grafeno como electrodo negativo de las baterías de iones de litio en lugar de materiales de grafito. Dado que el grafeno solo no es viable como electrodo negativo, ¿qué pasa con los materiales compuestos de grafeno?

El grafeno y otros nuevos materiales negativos, como los materiales a base de silicio y estaño y los compuestos de metales de transición para formar compuestos, son actualmente el área de investigación más candente para el "" nano-litio "", con miles de artículos publicados en los últimos años. . Por un lado, la flexibilidad de la capa de lámina de grafeno se utiliza para amortiguar la expansión de volumen de estos materiales de electrodos de alta capacidad durante el ciclo; por otro lado, la excelente conductividad del grafeno puede mejorar el contacto eléctrico entre las partículas del material y reducir la polarización. Todos estos factores pueden mejorar las propiedades electroquímicas del material compuesto.

Sin embargo, no es solo el grafeno el que puede lograr el efecto de mejora. La experiencia práctica del autor muestra que la aplicación de la tecnología y el proceso de compuestos de carbono convencionales pueden lograr propiedades electroquímicas similares o incluso mejores. Por ejemplo, los materiales de cátodos compuestos de Si / C no mejoran significativamente las propiedades electroquímicas de los materiales en comparación con la tecnología común de compuestos secos. Por el contrario, la dispersión y compatibilidad del grafeno aumentan la complejidad del proceso y afectan la estabilidad del lote.

Si se tienen en cuenta el costo del material, el proceso de producción, la procesabilidad y las propiedades electroquímicas, el autor cree que la posibilidad de aplicación real de grafeno o compuestos de grafeno en el ánodo de litio es muy pequeña y las perspectivas de industrialización son escasas.

Posibilidad de utilizar grafeno como agente conductor.

En la actualidad, los agentes conductores comúnmente utilizados en la electricidad de litio incluyen negro de carbón conductor, negro de acetileno, negro de cogen, SuperP, etc., y ahora algunos fabricantes de baterías comienzan a usar fibra de carbono (VGCF) y nanotubos de carbono (CNT) como agentes conductores. en baterías de potencia.

El principio del grafeno como agente conductor es su excelente capacidad de transmisión electrónica debido a su estructura especial de alta superficie específica bidimensional. De acuerdo con los datos de prueba acumulados hasta ahora, VGCF, CNT y grafeno tienen ciertas mejoras sobre SuperP en términos de rendimiento del multiplicador, pero hay poca diferencia en el grado de mejora del rendimiento electroquímico entre los tres, y el grafeno no muestra una ventaja obvia. .

Entonces, ¿la adición de grafeno podría hacer explotar el material del electrodo? La respuesta es no. Baterías de teléfonos móviles iPhone, por ejemplo, la capacidad de la batería de ascenso se debe en gran parte al resultado de la ascensión del voltaje de trabajo del LCO, el voltaje de carga máximo de 4.2 V a 4.35 V, actualmente en el I - Phone6 hace que la capacidad de LCO sea de 145 mah / g aumenta gradualmente hasta 160-170 mah / g (el LCO de alta presión debe pasar un dopaje y medidas de modificación como el recubrimiento de la superficie), todas estas mejoras no tienen nada que ver con el grafeno.

En otras palabras, si usa óxido de litio y cobalto con un voltaje de corte de 4.35v y una capacidad de 170 mAh / ga alta presión, no puede aumentar la capacidad del óxido de litio y cobalto a 180 mAh / g tanto como agrega grafeno. , por no hablar de la llamada "batería de grafeno" con varias veces la capacidad. ¿Es probable que la adición de grafeno mejore la duración de la batería? También es imposible. El área de superficie específica del grafeno es mayor que la del CNT, y la adición de CNT al electrodo negativo solo puede generar más SEI y consumir iones de litio, por lo que CNT y grafeno solo se pueden agregar al electrodo positivo para mejorar la relación y la baja rendimiento de temperatura.

Sin embargo, los ricos grupos funcionales en la superficie del grafeno son las 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 y afectará la circulabilidad, pudiendo incluso causar problemas de seguridad. ¿Qué pasa con el costo? El grafeno es actualmente extremadamente caro de producir y los productos llamados "grafeno" baratos en el mercado son básicamente óxido de grafeno.

Incluso ir cuesta más que CNT, que es más alto que VGCF. Y en términos de dispersabilidad y procesabilidad, VGCF es más fácil de operar que CNT y grafeno, que es la razón principal por la que VGCF de showa denko está ingresando gradualmente al mercado de baterías de energía. Se puede ver que el grafeno no tiene ninguna ventaja sobre CNT y VGCF en el rendimiento de costos cuando se usa como aditivo conductor.

La actual situación actual del grafeno en China me recuerda a los nanotubos de carbono (CNTS) de hace más de diez años. Si comparamos el grafeno y el CNT, encontraremos que los dos son sorprendentemente similares, con muchas "propiedades extrañas" casi idénticas. Estas "propiedades mágicas" de la CNT ahora se aplican completamente al grafeno. CNT comenzó a incendiarse internacionalmente a fines del siglo pasado y alcanzó su punto culminante entre 2000 y 2005. Se dice que CNTS es muy versátil y tiene muchas "propiedades únicas" en el campo del litio.

Pero han pasado más de 20 años, y hasta el momento no se han visto estas CNT "extrañas prestaciones" en ningún campo tiene una aplicación real a gran escala. En términos de electricidad de litio, el CNT solo se utiliza como agente conductor de electrodo positivo. En los últimos dos años, ha comenzado una prueba a pequeña escala en baterías de energía LFP (el rendimiento de costos es aún más bajo que el de VGCF), y la batería de energía LFP está condenada a convertirse en la ruta tecnológica principal de los vehículos eléctricos.

Comparado con CNT, el grafeno es muy similar en términos de propiedades electroquímicas sin ninguna característica especial. Por el contrario, tiene un costo de producción más alto, una contaminación ambiental más grave en el proceso de producción y una operación práctica y un rendimiento de procesamiento más difíciles. Basándome en mis años de experiencia en el desarrollo y producción de baterías de litio, no creo que el grafeno tenga mucho valor de aplicación práctica en el campo de las baterías de iones de litio. La llamada "batería de grafeno" es simplemente una exageración. Comparando CNT con grafeno, el autor quisiera decir que "la historia es siempre muy similar".

Se han especulado sobre las posibles aplicaciones reales del grafeno.

Las aplicaciones futuras del grafeno en baterías de iones de litio son muy limitadas. En comparación con las baterías de iones de litio, el autor cree que la perspectiva de aplicación del grafeno en supercondensadores, especialmente en el campo de los micro supercondensadores, parece ser un poco más fiable. Sin embargo, aún deberíamos estar alertas a algunas exageraciones académicas.

De hecho, después de leer muchos de estos llamados "avances académicos", encontrará que muchos profesores han confundido intencional o involuntariamente algunos conceptos básicos en su artículo. Actualmente, los supercondensadores comerciales de carbón activado generalmente 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. Y el avance del que hablan los profesores suele ser la densidad de energía del material, por lo que la supercarga de grafeno real no es tan buena como sugiere el artículo.

Relativamente, el costo de los requisitos de supercondensadores en miniatura no es tan estricto, los condensadores con compuestos de grafeno como material activo electroquímico, y eligen el electrolito líquido iónico apropiado, la preparación se puede realizar con doble ventaja en los dispositivos tradicionales de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio y condensadores, en el sistema microelectromecánico (MEMS), áreas de nicho tan pequeñas podrían (simplemente) tener cierto valor de aplicación.

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