סוללות גרפן: מיתוס או בועה?

אתגרים העומדים בפני סוללות ליתיום-יון

במהלך שני העשורים האחרונים מאז הופעתן של סוללות ליתיום-יון, עולמנו וחיינו הביאו לשינויים מטלטלים באדמה. האנרגיה הספציפית הגבוהה ודרישות העבודה הגבוהות של התקני אחסון אנרגיה כגון ציוד אלקטרוני לצרכן וכלי רכב חשמליים הפכו את סוללות הליתיום-יון הקיימות ל-"" הדגיש ;. החידוש בטכנולוגיית הסוללות נפל הרחק משדרוג הציוד האלקטרוני והפך לאילוץ לחוויית המשתמש. צוואר הבקבוק הגדול ביותר.

סוללות ליתיום-יון מסורתיות מבוססות על מעבורת של יוני ליתיום פעילים בין החומרים החיוביים ושליליים כדי להשיג המרה של אנרגיה כימית ואנרגיה חשמלית. עם זאת, דווקא מנגנון אלקטרוכימי זה של הכנסה ומיצוי הוא שגורם לקיבולת ולצפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון יותר ויותר לא לענות על הצרכים של תרחישי היישום. במונחים של חומרי אלקטרודה שליליים, חומרי האלקטרודה השליליים של סוללות ליתיום-יון מסחריות המיוצגות על ידי גרפיט משתמשים ביוני ליתיום כדי להתאים בין שכבות גרפיט לעבודה. עם זאת, אתרי הליתיום בגרפיט והריווח בין הגרפיט עצמו הם מוגבלים מאוד, מה שמאלץ סוללות ליתיום-יון להתמודד עם הדילמה של קיבולת לא מספקת ואנרגיה ספציפית נמוכה.

סוללת גרפן: התבררה

בתקופה בה אנשים אובדי עצות, יצא סוג חדש של חומר פחמן-גרפן כוכב! ניתן לראות בגרפן גרפיט בעל שכבה אחת, שיש בו אתרי קישור ליתיום רבים, ובעל מוליכות אלקטרונית גבוהה במיוחד ושטח ספציפי עצום. באופן זה, האם גרפן יכול להחליף גרפיט כדי לפוצץ מהפכה בענף אחסון האנרגיה? עם קיבולת גבוהה, צפיפות אנרגיה גבוהה וטעינה מהירה, אל' אלה" Peach Blossom Springs" שאנשים רדפו ישירות למציאות? ! אמצעי תקשורת שונים החלו גם לדווח על היתרונות של סוללות גרפן ולעשות הייפ מקביל. במשך זמן מה, מלאי קונספט הקשורים לסוללות גרפן הפכו פופולריים. נראה שתעשיית הסוללות כולה הוכה. כולם מצפים לסוללות גרפן. בוא הזמנים.

עם זאת, האם זה באמת המקרה? התוכן הבא הוא בעיקר מנקודת מבט מדעית לחשוף את הצעיף של סוללת הגרפן המסתורית לכולם (הערה: סוללת גרפן עדיין אינה מושג ברור, על פי תפקידו של גרפן ניתן לחלק בערך לגרפן כתוסף מוליך. וגרפיט ישנם שני סוגים של אחד כחומר האלקטרודה השלילי. מאמר זה דן בגרפן כחומר האלקטרודה השלילי של הסוללה).

מָקוֹר

בשנת 2014, דוח מדעי דיווח על עבודה על סוללות ליתיום של כל הגרפן. בסוללת כל הגרפן הזו, האלקטרודה החיובית היא חומר גרפן המתפקד על פני השטח, והאלקטרודה השלילית מופחתת תחמוצת הגרפן. הסוללה כולה משתמשת בתגובת השטח של האלקטרודות החיוביות והשליליות, כך שהיא יכולה להשיג טעינה ופריקה של קצב גבוה במיוחד. צפיפות ההספק המחושבת על בסיס מסת האלקטרודה הכוללת יכולה להגיע ל 2150 ואט / ק"ג.

מנקודת מבט של צפיפות הספק, הסוללה אכן מבטיחה, אך כאשר אנו מסתכלים שוב על צפיפות האנרגיה, אנו יכולים למצוא כי צפיפות האנרגיה המחושבת על בסיס המסה של שתי האלקטרודות היא 130 וואט / ק"ג בלבד, וזה פשוט מסוגל כדי להגיע לסוללת ליתיום-יון הקיימת על סמך חישוב מערכת המערכת (צפיפות האנרגיה של המערכת של סוללת להב BYD הפופולארית לאחרונה היא 140Wh / kg;" תוצרת סין 2025" מציע בבירור כי צפיפות האנרגיה היחידה של הרכב סוללות הספק מותקנות צריכות להגיע ל -300 וואט / ק"ג עד 2020). אם הוא משולב במערכת סוללות, צפיפות האנרגיה ההמונית שלו תוזל בחמישה עד שישים אחוזים נוספים. יתר על כן, חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים של סוללת כל הגרפן הזו אינם מכילים ליתיום, ולכן יש לבצע ליטוש מקדים אלקטרוכימי בחצי התא לפני ההתאמה לסוללה מלאה. אם מסתכלים על זה ככה, סוללות גרפן עשויות להיות הראשונות להתפתח בתרחישים בעלי הספק גבוה, אך צפיפות האנרגיה שלהן עדיין רחוקה מהציפיות של אנשים&# 39.

אז בתיאוריה, האם ניתן להשתמש בגרפן כחומר אלקטרודה שלילי לסוללות כמו גרפיט? האם מנגנון החדרת הליתיום זהה לגרפיט? מה קיבולת האחסון הליתיומית התיאורטית שלו? חוקרים רבים מאמינים כי מכיוון שלגרפן יש שני צדדים שיכולים לספוג אטומי ליתיום, הוא יכול ליצור שלב ליתיום כפול של Li2C6 ובעל קיבולת ספציפית כפולה של 744 מיליאמפר / שעה. ישנם מחקרים רבים בנושאים אלה. יש חוקרים שהשתמשו בחישובי DFT כדי לגלות כי אטומי ליתיום אינם ניתנים לספחה ישירות על פני הגרפן. ניתן להטמיע אותם רק בין שכבות גרפן או באמצע גרפן ולמצע דרך קצוות או פגמים בסדר גבוה. אז במקרה זה, האם זה אינטראקראציה או ספיחה, וכמה אטומי Li ניתן לאחסן?

התנפץ

בתגובה לבעיה זו, פרופסור חבר ג'י קמנג מאוניברסיטת טיאנג'ין דיווח על מחקריו על מנגנון ההשתלבות של ליתיום של גרפן שכבה כפולה בתקשורת טבע בשנת 2019. הם השתמשו בשיטת שקיעה אדי כימית של מיתוג בטמפרטורה גבוהה להכנת גרפן שכבה כפולה. חומר עם משטח ספציפי גבוה. אין צורך לחבר חומר זה למצע ויש בו מעט פגמים, ולכן ניתן לבטל את השפעת המצע וליקויים על הספיחה או דה-אינטרקלציה של יוני ליתיום, דבר המועיל לחקר מנגנון דה-אינטר-קלציה של ליתיום ב גרפן עצמו. בדיקות פריקת מטען זרם קבוע ועקומות וולטמטריה מחזוריות מראות שלגרפן שכבה כפולה יש אותה תגובה להפחתת חמצון אלקטרוכימית כמו לאלקטרודות גרפיט קונבנציונאליות, ויוני ליתיום מוחלקים בין שני יריעות הגרפן. המרווח בין שכבות הגרפן הוא המרחב היחיד לאחסון ליתיום, והרעיון לקלוט ולאחסן ליתיום הוא הרס עצמי! ישנה גם תופעה ראויה לציון. הקיבולת המקסימלית של גרפן שכבה כפולה היא 180 מיליאמפר / שעה בלבד בטווח הצפיפות הנוכחי של 0.2-50 A / g. אפיון השלב שלאחר מכן מראה כי ההרכב הסטואיכיומטרי של שלב האחסון ליתיום הוא LiC12 ו- LiC6 של האלקטרודה הלא גרפית אינו מה שנקרא שלב אחסון ליתיום כפול Li2C6.

תוצאת מחקר זו מראה כי מודל התחום של Daumas-Hérold&# 39 מתאים יותר לתיאור התנהגות אחסון הליתיום של אלקטרודות גרפיט מאשר מודל Rüdorff&# 39, וסיים את הדיון של חצי המאה על מנגנון אחסון הליתיום של גרָפִיט. במקביל, קיבולת האחסון הליתיום התיאורטית של גרפן אושרה סופית, והקיבולת התיאורטית של 180mAh / g נמוכה בהרבה מקיבולת האחסון הליתיום האלקטרוכימית של אנודת הגרפיט. בועת סוללת הגרפן פורצת מעצמה!

עקיבות

אז מהיכן הקיבולת הגבוהה של גרפן המדווחת במסמכים רבים? אנו יודעים כי חומרי הגרפן שאנשים מייצרים בדרך כלל אינם טהורים יחסית כמו האמור לעיל. רבים מהגרפים שאנו יכולים לקבל עשירים בפגמים (כולל הן פגמים פנימיים של חומרי פחמן והן פגמים הנגרמים על ידי אתרים הטרו-אטומים שהוכנסו במיוחד), והמשטח עשיר במגוון קבוצות פונקציונליות (כגון קרבוקסיל, הידרוקסיל, קל לקיים אינטראקציה כימית עם ליתיום, כגון קבוצות אפוקסי). הסופרפוזיציה של גורמים אלה ושטח הפנים הספציפי העצום של גרפן עצמו יגרמו לכמות גדולה של ליתיום שלא להשתתף בתגובה האלקטרוכימית בצורה של דה-אינטרקלציה, אלא לתרום לפסאודקפוזיציה בצורה של ספיחה. השפעות פסאודוקפיטנטיות אלה גורמות לכך שיכולת הגראפן גבוהה מאוד והקינטיקה האלקטרוכימית מהירה, אך אין לכך השפעה מועטה על הגדלת צפיפות האנרגיה של הסוללה המלאה. יתר על כן, אתרי התגובה השופעים ותכולת הפגמים הגבוהה יגרמו גם לצריכת הליתיום הפעיל המוגבל ברציפות, וכתוצאה מכך ירידה ביעילות הקולומבית, הקטלנית ליציבות הקיבולת של הסוללה המלאה.

עתיד

לאחר הניתוח לעיל, גרפן כחומר אלקטרודה שלילי לסוללות הוא חסר סיכוי אם הוא רוצה להיכנס לאלפי משקי בית. עם זאת, אין זה אומר שגרפן אינו חסר תועלת בתחום אחסון האנרגיה. בנוסף לביצועי אחסון ליתיום, לגרפן עצמו יש גם מוליכות חשמלית גבוהה במיוחד ומוליכות תרמית מעולה. שני גורמי החשמל והחום ממלאים תפקיד מרכזי בסוללות בפועל. במיוחד חום, תאונות בטיחות בסוללות הנגרמות על ידי בורח תרמי יכולות אפילו להטיל וטו על חומרי אלקטרודה רבים עם ביצועים אלקטרוכימיים מצוינים. אם מיישמים את היתרונות של מוליכות חשמלית וגם על מוליכות תרמית על הסוללה," סוללת גרפן" עשוי גם לזרוח.

כמובן שכמעין חומר קסום גרפן אינו יודע אם הוא יביא מהפכה חדשה לסוללה בדרכים אחרות? בדיוק כמו דיווחי התקשורת האחרונים ממקורות לא ידועים, מרצדס בנץ מפתחת סוללה אורגנית מבוססת גרפן. הטכנולוגיה הספציפית טרם נחשפה. בכל מקרה, זה יעבור לפחות 10 שנים. בין אם זו מהפכה חדשה או בועה חדשה, נחכה ונראה!

בקיצור, תחום אחסון האנרגיה, שמטרתו מעשיות, אינו" רודף אחר כוכבים" ;. האלקטרודה השלילית הגרפית הניתנת לביצוע דורשת תנאים קשים מדי (גרפן מושלם). בייצור בפועל יש לשלם מחיר עלות גבוה, המנוגד לכוונה המקורית להגדיל את צפיפות האנרגיה ולהפחית את עלויות הייצור. יתרה מכך של&# 39, ההיתכנות התיאורטית התבררה סוף סוף כבלתי אפשרית. בפעם הבאה יהיה היפ מדיה לגבי" סוללת גרפן" ;, אתה צריך לפקוח עיניים כדי לראות בבירור