แบตเตอรี่กราฟีน: ตำนานหรือฟอง?

ความท้าทายที่ต้องเผชิญกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมานับตั้งแต่การถือกำเนิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโลกและชีวิตของเราได้นำการเปลี่ยนแปลงที่สั่นสะเทือนของโลก พลังงานเฉพาะที่สูงและความต้องการในการทำงานที่ใช้พลังงานสูงของอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานเช่นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและยานพาหนะไฟฟ้าทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีอยู่" เน้น" นวัตกรรมของเทคโนโลยีแบตเตอรี่นั้นล้าหลังกว่าการอัพเกรดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และกลายเป็นข้อ จำกัด ต่อประสบการณ์ของผู้ใช้ คอขวดที่ใหญ่ที่สุด

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมขึ้นอยู่กับการรับส่งของไอออนลิเธียมที่ใช้งานอยู่ระหว่างวัสดุบวกและลบเพื่อให้เกิดการแปลงพลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตามมันเป็นกลไกทางเคมีไฟฟ้าของการใส่และการสกัดอย่างแม่นยำที่ทำให้ความจุและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่สามารถตอบสนองความต้องการของสถานการณ์การใช้งานได้มากขึ้น ในแง่ของวัสดุขั้วลบวัสดุขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ที่แสดงด้วยกราไฟต์จะใช้ไอออนลิเธียมเพื่อ deintercalate ระหว่างชั้นกราไฟท์ อย่างไรก็ตามไซต์ของลิเธียมในกราไฟต์และระยะห่างระหว่างชั้นของกราไฟต์เองนั้นมี จำกัด มากซึ่งบังคับให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องเผชิญกับปัญหาความจุไม่เพียงพอและพลังงานจำเพาะต่ำ

แบตเตอรี่กราฟีน: เปิดออก

ในช่วงเวลาที่ผู้คนกำลังสูญเสียวัสดุคาร์บอนดาวชนิดใหม่ออกมา! กราฟีนถือได้ว่าเป็นกราไฟท์ชั้นเดียวซึ่งมีไซต์การแทรกระหว่างลิเธียมจำนวนมากและมีการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์สูงมากและมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ ด้วยวิธีนี้กราฟีนสามารถแทนที่กราไฟท์เพื่อจุดชนวนการปฏิวัติในอุตสาหกรรมกักเก็บพลังงานได้หรือไม่? ด้วยความจุสูงความหนาแน่นของพลังงานสูงและการชาร์จที่รวดเร็วอย่า' t" Peach Blossom Springs" ที่ผู้คนใฝ่หาโดยตรงกลายเป็นความจริง? ! สื่อต่างๆได้เริ่มรายงานเกี่ยวกับข้อดีของแบตเตอรี่กราฟีนและทำการโฆษณาที่สอดคล้องกัน ในช่วงเวลาหนึ่งหุ้นแนวคิดเกี่ยวกับแบตเตอรี่กราฟีนได้รับความนิยม อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ทั้งหมดดูเหมือนจะพ่ายแพ้ ทุกคนตั้งหน้าตั้งตารอแบตเตอรี่กราฟีน การมาถึงของครั้ง

อย่างไรก็ตามเป็นเช่นนั้นจริงหรือ? เนื้อหาต่อไปนี้ส่วนใหญ่มาจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์เพื่อเปิดเผยม่านของแบตเตอรี่กราฟีนลึกลับสำหรับทุกคน (หมายเหตุ: แบตเตอรี่กราฟีนยังไม่มีแนวคิดที่ชัดเจนตามบทบาทของกราฟีนสามารถแบ่งออกเป็นกราฟีนเป็นสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และแกรไฟต์มีสองประเภทของ ene เป็นวัสดุขั้วลบบทความนี้กล่าวถึงกราฟีนเป็นวัสดุขั้วลบของแบตเตอรี่)

ต้นกำเนิด

ในปี 2014 รายงานทางวิทยาศาสตร์รายงานการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมกราฟีนทั้งหมด ในแบตเตอรี่กราฟีนทั้งหมดนี้ขั้วบวกเป็นวัสดุกราฟีนที่ใช้งานได้บนพื้นผิวและขั้วลบจะลดกราฟีนออกไซด์ แบตเตอรี่ทั้งหมดใช้ปฏิกิริยาพื้นผิวของขั้วบวกและขั้วลบดังนั้นจึงสามารถรับประจุและคายประจุในอัตราที่สูงมาก ความหนาแน่นของพลังงานที่คำนวณจากมวลอิเล็กโทรดโดยรวมสามารถเข้าถึง 2150W / kg

จากมุมมองความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่มีแนวโน้มที่ดีอย่างแน่นอน แต่เมื่อเราดูความหนาแน่นของพลังงานอีกครั้งเราจะพบว่าความหนาแน่นของพลังงานที่คำนวณจากมวลของขั้วไฟฟ้าทั้งสองนั้นมีค่าเพียง 130Wh / kg ซึ่งทำได้ เพื่อเข้าถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีอยู่ตามการคำนวณมวลของระบบ (ความหนาแน่นพลังงานของระบบของแบตเตอรี่ใบมีด BYD ที่เพิ่งได้รับความนิยมคือ 140Wh / kg;" ผลิตในประเทศจีน 2025" เสนออย่างชัดเจนว่าความหนาแน่นของพลังงานเดียวของยานพาหนะ - ติดตั้งแบตเตอรี่พลังงานควรถึง 300Wh / kg ภายในปี 2020) หากรวมอยู่ในระบบแบตเตอรี่ความหนาแน่นของพลังงานมวลของมันจะลดลงอีกห้าถึงหกสิบเปอร์เซ็นต์ ยิ่งไปกว่านั้นวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบของแบตเตอรี่กราฟีนทั้งหมดนี้ไม่มีลิเธียมดังนั้นจึงต้องมีการทำปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าล่วงหน้าในเซลล์ครึ่งเซลล์ก่อนที่จะจับคู่กับแบตเตอรี่เต็ม เมื่อมองด้วยวิธีนี้แบตเตอรี่กราฟีนอาจเป็นสิ่งแรกที่พัฒนาในสถานการณ์ที่ใช้พลังงานสูง แต่ความหนาแน่นของพลังงานยังคงห่างไกลจากความคาดหวังของผู้คน&# 39

ดังนั้นในทางทฤษฎีกราฟีนสามารถใช้เป็นวัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่เช่นกราไฟท์ได้หรือไม่? กลไกของการใส่ลิเทียมเหมือนกับแกรไฟต์หรือไม่? ความจุลิเธียมในทางทฤษฎีคืออะไร? นักวิจัยหลายคนเชื่อว่าเนื่องจากกราฟีนมีสองด้านที่สามารถดูดซับอะตอมของลิเธียมได้จึงสามารถสร้างเฟสลิเธียมคู่ของ Li2C6 และมีความจุเฉพาะสองเท่าที่ 744 mAh / g มีงานวิจัยมากมายเกี่ยวกับประเด็นเหล่านี้ นักวิจัยบางคนได้ใช้การคำนวณ DFT เพื่อพบว่าอะตอมของลิเทียมไม่สามารถดูดซับโดยตรงบนพื้นผิวของกราฟีนได้ สามารถฝังได้เฉพาะระหว่างชั้นกราฟีนหรือตรงกลางของกราฟีนและวัสดุพิมพ์ผ่านขอบหรือข้อบกพร่องระดับสูง ดังนั้นในกรณีนี้คือ deintercalation หรือการดูดซับและสามารถจัดเก็บ Li ได้กี่อะตอม?

แตก

เพื่อตอบสนองต่อปัญหานี้รองศาสตราจารย์ Ji Kemeng จากมหาวิทยาลัยเทียนจินได้รายงานการวิจัยของเขาเกี่ยวกับกลไกการแลกเปลี่ยนลิเทียมของกราฟีนสองชั้นใน Nature Communications ในปี 2019 พวกเขาใช้วิธีการสะสมไอสารเคมีแบบสลับอุณหภูมิสูงเพื่อเตรียมกราฟีนสองชั้น วัสดุที่มีพื้นผิวจำเพาะสูง วัสดุนี้ไม่จำเป็นต้องยึดติดกับวัสดุพิมพ์และมีข้อบกพร่องเพียงเล็กน้อยดังนั้นจึงสามารถกำจัดอิทธิพลของสารตั้งต้นและข้อบกพร่องต่อการดูดซับหรือการสลายตัวของไอออนลิเธียมซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการศึกษากลไกการสลายตัวของลิเธียมใน กราฟีนเอง การทดสอบการปล่อยประจุกระแสคงที่และเส้นโค้งโวลต์มิเตอร์แบบวงกลมแสดงให้เห็นว่ากราฟีนสองชั้นมีปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชั่นทางเคมีไฟฟ้าเช่นเดียวกับอิเล็กโทรดกราไฟท์ทั่วไปและไอออนลิเธียมจะถูก deintercalated ระหว่างแผ่นกราฟีนทั้งสอง ระยะห่างของชั้นกราฟีนเป็นช่องว่างเดียวสำหรับการจัดเก็บลิเธียมและแนวคิดในการดูดซับและจัดเก็บลิเทียมคือการเอาชนะตัวเอง นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ที่น่าสังเกต ความจุสูงสุดของกราฟีนสองชั้นคือ 180 mAh / g ในช่วงความหนาแน่นกระแส 0.2-50 A / g การแสดงลักษณะของเฟสที่ตามมาแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบทาง stoichiometric ของเฟสการจัดเก็บลิเธียมคือ LiC12 และ LiC6 ของอิเล็กโทรดที่ไม่ใช่แกรไฟต์ไม่ใช่สิ่งที่เรียกว่าเฟส Li2C6 ที่เก็บลิเธียมคู่

ผลการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองโดเมนของ Daumas-Hérold&# 39 เหมาะสำหรับการอธิบายพฤติกรรมการจัดเก็บลิเธียมของขั้วไฟฟ้ากราไฟต์มากกว่าแบบจำลองของRüdorff&# 39 และได้ยุติการถกเถียงครึ่งศตวรรษเกี่ยวกับกลไกการจัดเก็บลิเธียมของ กราไฟท์ ในขณะเดียวกันความจุลิเธียมในทางทฤษฎีของกราฟีนได้รับการยืนยันในที่สุดและความจุตามทฤษฎีที่ 180mAh / g นั้นด้อยกว่าความจุลิเธียมไฟฟ้าเคมีของขั้วบวกกราไฟท์ ฟองแบตเตอรี่กราฟีนระเบิดตัวเอง!

การตรวจสอบย้อนกลับ

ดังนั้นความจุสูงของกราฟีนที่รายงานในเอกสารจำนวนมากมาจากไหน? เราทราบดีว่าวัสดุกราฟีนที่คนทั่วไปทำไม่ใช่กราฟีนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์เหมือนข้างต้น กราฟีนจำนวนมากที่เราได้รับนั้นอุดมไปด้วยข้อบกพร่อง (รวมทั้งข้อบกพร่องที่ว่างภายในของวัสดุคาร์บอนและข้อบกพร่องที่เกิดจากไซต์ที่แตกต่างกันที่แนะนำมาเป็นพิเศษ) และพื้นผิวนั้นอุดมไปด้วยกลุ่มการทำงานที่หลากหลาย (เช่นคาร์บอกซิลไฮดรอกซิล กลุ่มเหล่านี้ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับลิเธียมได้ง่ายเช่นกลุ่มอีพ็อกซี่) การซ้อนทับของปัจจัยเหล่านี้และพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ของกราฟีนเองจะทำให้ลิเธียมจำนวนมากไม่เข้าร่วมในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าในรูปแบบของการสลายตัว แต่มีส่วนทำให้เกิดความจุเทียมในรูปแบบของการดูดซับ ผลกระทบจากความจุเทียมเหล่านี้ทำให้ดูเหมือนว่าความจุของกราฟีนสูงมากและจลนพลศาสตร์ไฟฟ้าเคมีนั้นรวดเร็ว แต่สิ่งนี้มีผลเพียงเล็กน้อยต่อการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เต็ม ยิ่งไปกว่านั้นไซต์ปฏิกิริยาที่มีอยู่มากและมีข้อบกพร่องสูงจะทำให้ลิเธียมแอคทีฟที่ จำกัด ถูกใช้อย่างต่อเนื่องส่งผลให้ประสิทธิภาพคูลอมบิกลดลงซึ่งเป็นอันตรายต่อเสถียรภาพความจุของแบตเตอรี่เต็ม

อนาคต

หลังจากการวิเคราะห์ข้างต้นกราฟีนเป็นวัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่จะสิ้นหวังหากต้องการเข้าสู่ครัวเรือนหลายพันครัวเรือน อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้หมายความว่ากราฟีนไม่มีประโยชน์ในด้านการกักเก็บพลังงาน นอกเหนือจากประสิทธิภาพการจัดเก็บลิเธียมแล้วกราฟีนเองยังมีการนำไฟฟ้าที่สูงเป็นพิเศษและการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ปัจจัยสองประการของไฟฟ้าและความร้อนมีบทบาทสำคัญในแบตเตอรี่จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความร้อนอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการหนีความร้อนสามารถยับยั้งวัสดุอิเล็กโทรดจำนวนมากด้วยประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม หากนำข้อดีของการนำไฟฟ้าและความร้อนไปใช้กับแบตเตอรี่" แบตเตอรี่กราฟีน" อาจส่องแสง

แน่นอนว่าในฐานะวัสดุวิเศษชนิดหนึ่งกราฟีนไม่รู้ว่าจะนำการปฏิวัติครั้งใหม่มาสู่แบตเตอรี่ด้วยวิธีอื่นหรือไม่? เช่นเดียวกับรายงานล่าสุดของสื่อจากแหล่งที่ไม่รู้จัก Mercedes-Benz กำลังพัฒนาแบตเตอรี่อินทรีย์ที่ใช้กราฟีน เทคโนโลยีเฉพาะยังไม่ได้รับการเปิดเผย ยังไงก็อย่างน้อย 10 ปีให้หลัง ไม่ว่าจะเป็นการปฏิวัติครั้งใหม่หรือฟองสบู่ใหม่เราจะรอดู!

ในระยะสั้นสาขาการกักเก็บพลังงานซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อการปฏิบัติจริงไม่ใช่" การไล่ล่าดวงดาว" ขั้วลบกราฟีนที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎีนั้นต้องการสภาวะที่รุนแรงเกินไป (กราฟีนที่สมบูรณ์แบบ) ในการผลิตจริงจำเป็นต้องจ่ายราคาต้นทุนสูงซึ่งตรงกันข้ามกับความตั้งใจเดิมที่ต้องการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและลดต้นทุนการผลิต ยิ่งไปกว่านั้น' ในที่สุดความเป็นไปได้ทางทฤษฎีก็พิสูจน์แล้วว่าไม่เป็นไปได้ ครั้งต่อไปจะมีสื่อโฆษณาเกี่ยวกับ" แบตเตอรี่กราฟีน" คุณต้องเปิดตาให้ชัดเจน