Baterias de grafeno: um mito ou uma bolha?

Desafios enfrentados pelas baterias de íon-lítio

Nas últimas duas décadas, desde o advento das baterias de íons de lítio, nosso mundo e nossa vida trouxeram mudanças terríveis. A alta energia específica e os requisitos de trabalho de alta potência dos dispositivos de armazenamento de energia, como equipamentos eletrônicos de consumo e veículos elétricos, tornaram as baterias de íon-lítio&sob tensão GG. A inovação da tecnologia de baterias ficou muito atrás da atualização de equipamentos eletrônicos e tornou-se uma restrição à experiência do usuário. O maior gargalo.

As baterias de íon de lítio tradicionais são baseadas no transporte de íons de lítio ativos entre os materiais positivos e negativos para alcançar a conversão de energia química e energia elétrica. No entanto, é precisamente esse mecanismo eletroquímico de inserção e extração que torna a capacidade e a densidade de energia das baterias de íon-lítio cada vez mais incapazes de atender às necessidades dos cenários de aplicação. Em termos de materiais de eletrodo negativo, os materiais de eletrodo negativo de baterias comerciais de íons de lítio representados por grafite usam íons de lítio para desintercalar entre as camadas de grafite para funcionar. No entanto, os locais de lítio na grafite e o espaçamento entre camadas da própria grafite são muito limitados, o que força as baterias de íon-lítio a enfrentar o dilema da capacidade insuficiente e baixa energia específica.

Bateria de grafeno: acabou

Em um momento em que as pessoas estão perdidas, um novo tipo de material de carbono estelar - grafeno foi lançado! O grafeno pode ser considerado um grafite de camada única, que tem locais de intercalação de lítio abundantes e tem condutividade eletrônica ultra-alta e uma enorme área de superfície específica. Dessa forma, o grafeno pode substituir a grafite para detonar uma revolução na indústria de armazenamento de energia? Com alta capacidade, alta densidade de energia e carregamento rápido, use' t estes" Peach Blossom Springs" que as pessoas têm buscado tornar-se realidade diretamente? ! Vários meios de comunicação também começaram a reportar sobre as vantagens das baterias de grafeno e a fazer campanha publicitária correspondente. Por um tempo, os estoques de conceito relacionados à bateria de grafeno se tornaram populares. Toda a indústria de baterias parece ter sido derrotada. Todos estão ansiosos por baterias de grafeno. A chegada dos tempos.

No entanto, é realmente esse o caso? O seguinte conteúdo é principalmente do ponto de vista científico para descobrir o véu da misteriosa bateria de grafeno para todos (Nota: a bateria de grafeno ainda não tem um conceito claro, de acordo com o papel do grafeno pode ser dividido em grafeno como um aditivo condutor e grafite Existem dois tipos de eno como material do eletrodo negativo. Este artigo discute o grafeno como o material do eletrodo negativo da bateria.

origem

Em 2014, o Relatório Científico relatou um trabalho em baterias de lítio totalmente de grafeno. Nesta bateria totalmente de grafeno, o eletrodo positivo é material de grafeno funcionalizado por superfície e o eletrodo negativo é óxido de grafeno reduzido. A bateria inteira utiliza a reação de superfície dos eletrodos positivo e negativo, de modo que pode atingir taxas de carga e descarga superaltas. A densidade de potência calculada com base na massa geral do eletrodo pode chegar a 2150 W / kg.

Do ponto de vista da densidade de potência, a bateria é realmente promissora, mas quando olhamos para a densidade de energia novamente, podemos descobrir que a densidade de energia calculada com base na massa dos dois eletrodos é de apenas 130Wh / kg, o que é apenas capaz para alcançar a bateria de íon-lítio existente com base no cálculo de massa do sistema (A densidade de energia do sistema da bateria de lâmina BYD recentemente popular é de 140Wh / kg;" Fabricado na China 2025" propõe claramente que a densidade de energia única do veículo de energia montada deve atingir 300Wh / kg em 2020). Se for integrado a um sistema de bateria, sua densidade de energia de massa será descontada em outros cinco a sessenta por cento. Além disso, os materiais do eletrodo positivo e negativo desta bateria totalmente de grafeno não contêm lítio, então a pré-litiação eletroquímica na meia-célula deve ser realizada antes de combinar em uma bateria completa. Olhando dessa forma, as baterias de grafeno podem ser as primeiras a se desenvolver em cenários de alta potência, mas sua densidade de energia ainda está longe das expectativas do'.

Então, em teoria, o grafeno pode ser usado como um material de eletrodo negativo para baterias como o grafite? O mecanismo de inserção do lítio é o mesmo do grafite? Qual é a sua capacidade teórica de armazenamento de lítio? Muitos pesquisadores acreditam que, como o grafeno tem dois lados que podem adsorver átomos de lítio, ele pode formar uma fase de lítio dupla de Li2C6 e tem uma capacidade específica dupla de 744 mAh / g. Existem muitas pesquisas sobre essas questões. Alguns pesquisadores usaram cálculos DFT para descobrir que os átomos de lítio não podem ser adsorvidos diretamente na superfície do grafeno. Eles só podem ser incorporados entre camadas de grafeno ou no meio de grafeno e substrato através de bordas ou defeitos de alta ordem. Então, neste caso, é desintercalação ou adsorção, e quantos átomos de Li podem ser armazenados?

Quebrado

Em resposta a este problema, o professor associado Ji Kemeng da Universidade de Tianjin relatou sua pesquisa sobre o mecanismo de intercalação de lítio de grafeno de camada dupla na Nature Communications em 2019. Eles usaram um método de deposição de vapor químico de comutação de alta temperatura para preparar um grafeno de camada dupla material com uma superfície específica elevada. Este material não precisa ser fixado ao substrato e possui poucos defeitos, portanto a influência do substrato e defeitos na adsorção ou desintercalação dos íons de lítio podem ser eliminados, o que é benéfico para o estudo do mecanismo de desintercalação do lítio em o próprio grafeno. Testes de carga-descarga de corrente constante e curvas de voltametria cíclica mostram que o grafeno de camada dupla tem a mesma reação de oxidação-redução eletroquímica que os eletrodos de grafite convencionais e íons de lítio são desintercalados entre as duas folhas de grafeno. O espaçamento da camada de grafeno é o único espaço para armazenamento de lítio, e a ideia de absorver e armazenar lítio é autodestrutiva! Também há um fenômeno digno de nota. A capacidade máxima do grafeno de camada dupla é de apenas 180 mAh / g na faixa de densidade de corrente de 0,2-50 A / g. A caracterização de fase subsequente mostra que a composição estequiométrica da fase de armazenamento de lítio é LiC12 e O LiC6 do eletrodo sem grafite não é a chamada fase Li2C6 de armazenamento duplo de lítio.

O resultado desta pesquisa mostra que o modelo de domínio de Daumas-Hérold' s é mais adequado para descrever o comportamento de armazenamento de lítio de eletrodos de grafite do que o modelo de Rüdorff' s, e encerrou o debate de meio século sobre o mecanismo de armazenamento de lítio de grafite. Ao mesmo tempo, a capacidade teórica de armazenamento de lítio do grafeno foi finalmente confirmada, e a capacidade teórica de 180mAh / g é muito inferior à capacidade de armazenamento eletroquímica de lítio do ânodo de grafite. A bolha da bateria de grafeno estoura sozinha!

Rastreabilidade

Então, de onde vem a alta capacidade de grafeno relatada em muitos documentos? Sabemos que os materiais de grafeno que as pessoas geralmente fazem não são grafeno relativamente puro como o acima. Muitos dos grafenos que podemos obter são ricos em defeitos (incluindo os defeitos de vacância intrínseca de materiais de carbono e os defeitos causados ​​por sítios de heteroátomo especialmente introduzidos), e a superfície é rica em uma variedade de grupos funcionais (como carboxila, hidroxila, Esses grupos são fáceis de interagir quimicamente com o lítio, como os grupos epóxi). A superposição desses fatores e a enorme área de superfície específica do próprio grafeno fará com que uma grande quantidade de lítio não participe da reação eletroquímica na forma de desintercalação, mas contribua para a pseudocapacitância na forma de adsorção. Esses efeitos de pseudocapacitância fazem parecer que a capacidade do grafeno é muito alta e a cinética eletroquímica é rápida, mas isso tem pouco efeito no aumento da densidade de energia da bateria cheia. Além disso, os locais de reação abundantes e o alto teor de defeitos também farão com que o lítio ativo limitado seja continuamente consumido, resultando em uma diminuição na eficiência coulômbica, que é fatal para a estabilidade da capacidade da bateria cheia.

futuro

Após a análise acima, o grafeno como material de eletrodo negativo para baterias é inútil se quiser entrar em milhares de residências. No entanto, isso não significa que o grafeno seja inútil no campo do armazenamento de energia. Além do desempenho de armazenamento de lítio, o grafeno em si também possui condutividade elétrica ultra-alta e excelente condutividade térmica. Os dois fatores de eletricidade e calor desempenham um papel fundamental nas baterias reais. Especialmente o calor, os acidentes de segurança da bateria induzidos pela fuga térmica podem até vetar muitos materiais de eletrodo com excelente desempenho eletroquímico. Se as vantagens da condutividade elétrica e térmica forem aplicadas à bateria, a bateria de grafeno" também pode brilhar.

Claro, como uma espécie de material mágico, o grafeno não sabe se trará uma nova revolução para a bateria de outras maneiras? Assim como os recentes relatórios da mídia de fontes desconhecidas, a Mercedes-Benz está desenvolvendo uma bateria orgânica à base de grafeno. A tecnologia específica ainda não foi divulgada. De qualquer forma, será pelo menos 10 anos depois. Seja uma nova revolução ou uma nova bolha, vamos esperar para ver!

Em suma, o campo do armazenamento de energia, que visa a praticidade, não é&perseguindo estrelas GG. O eletrodo negativo de grafeno teoricamente viável requer condições muito adversas (grafeno perfeito). Na produção real, é necessário pagar um preço de custo elevado, o que vai contra a intenção original de aumentar a densidade energética e reduzir os custos de produção. Além disso,' s mais, a viabilidade teórica finalmente provou ser inviável. Da próxima vez, haverá exagero na mídia sobre o" bateria de grafeno" ;, você deve manter os olhos abertos para ver claramente