Baterai Graphene: Mitos atau Gelembung?

Tantangan yang dihadapi baterai lithium-ion

Selama dua dekade terakhir sejak munculnya baterai lithium-ion, dunia dan kehidupan kita telah membawa perubahan yang mengguncang bumi. Energi spesifik tinggi dan persyaratan kerja daya tinggi dari perangkat penyimpanan energi seperti peralatan elektronik konsumen dan kendaraan listrik telah membuat baterai lithium-ion yang ada" menekankan" ;. Inovasi teknologi baterai telah tertinggal jauh di belakang peningkatan peralatan elektronik dan telah menjadi kendala bagi pengalaman pengguna. Hambatan terbesar.

Baterai lithium-ion tradisional didasarkan pada pengalihan ion litium aktif antara bahan positif dan negatif untuk mencapai konversi energi kimia dan energi listrik. Namun, justru mekanisme penyisipan dan ekstraksi elektrokimia inilah yang membuat kapasitas dan kepadatan energi baterai lithium-ion semakin tidak dapat memenuhi kebutuhan skenario aplikasi. Dalam hal bahan elektroda negatif, bahan elektroda negatif baterai lithium-ion komersial yang diwakili oleh grafit menggunakan ion lithium untuk deinterkalasi antara lapisan grafit agar bekerja. Namun, lokasi litium dalam grafit dan jarak antar lapisan grafit itu sendiri sangat terbatas, yang memaksa baterai litium-ion menghadapi dilema kapasitas yang tidak mencukupi dan energi spesifik yang rendah.

Baterai Graphene: ternyata

Pada saat orang mengalami kerugian, jenis baru bahan grafena bintang karbon telah keluar! Graphene dapat dianggap sebagai grafit satu lapis, yang memiliki banyak situs interkalasi litium, dan memiliki konduktivitas elektronik yang sangat tinggi dan luas permukaan spesifik yang sangat besar. Dengan cara ini, dapatkah grafena menggantikan grafit untuk meledakkan revolusi dalam industri penyimpanan energi? Dengan kapasitas tinggi, kepadatan energi tinggi, dan pengisian cepat, jangan' t ini" Peach Blossom Springs" yang dikejar orang secara langsung menjadi kenyataan? ! Berbagai media juga mulai melaporkan keunggulan baterai graphene dan membuat hype yang sesuai. Untuk sementara waktu, stok konsep terkait baterai graphene telah menjadi populer. Seluruh industri baterai tampaknya telah terpukul. Semua orang menantikan baterai graphene. Tibanya waktu.

Namun, benarkah demikian? Konten berikut ini terutama dari sudut pandang ilmiah untuk mengungkap selubung baterai graphene misterius untuk semua orang (Catatan: Baterai graphene belum memiliki konsep yang jelas, menurut peran graphene secara kasar dapat dibagi menjadi graphene sebagai aditif konduktif dan grafit Terdapat dua jenis ene sebagai bahan elektroda negatif, Artikel ini membahas graphene sebagai bahan elektroda negatif baterai).

asal

Pada tahun 2014, Laporan Ilmiah melaporkan pekerjaan pada baterai lithium semua-graphene. Dalam baterai semua-graphene ini, elektroda positif adalah bahan graphene yang berfungsi permukaan, dan elektroda negatif adalah oksida graphene tereduksi. Seluruh baterai menggunakan reaksi permukaan dari elektroda positif dan negatif, sehingga dapat mencapai tingkat pengisian dan pengosongan yang sangat tinggi. Densitas daya yang dihitung berdasarkan massa elektroda keseluruhan bisa mencapai 2150W / kg.

Dari segi kerapatan daya, baterainya memang menjanjikan, namun bila kita melihat kembali kerapatan energinya, kita bisa menemukan bahwa kerapatan energi yang dihitung berdasarkan massa kedua elektroda tersebut hanya 130Wh / kg, yang baru saja mampu. untuk mencapai baterai lithium-ion yang ada berdasarkan perhitungan massa sistem (Kepadatan energi sistem dari baterai blade BYD yang baru-baru ini populer adalah 140Wh / kg;" Made in China 2025" dengan jelas mengusulkan bahwa kepadatan energi tunggal kendaraan -baterai daya yang dipasang harus mencapai 300Wh / kg pada tahun 2020). Jika diintegrasikan ke dalam sistem baterai, kepadatan energi massanya akan berkurang lima hingga enam puluh persen lagi. Selain itu, bahan elektroda positif dan negatif dari baterai semua-graphene ini tidak mengandung litium, jadi pra-litisasi elektrokimia dalam setengah sel harus dilakukan sebelum mencocokkan dengan baterai penuh. Melihatnya dengan cara ini, baterai graphene mungkin yang pertama dikembangkan dalam skenario daya tinggi, tetapi kepadatan energinya masih jauh dari harapan orang-orang.

Jadi secara teori, dapatkah graphene digunakan sebagai bahan elektroda negatif untuk baterai seperti grafit? Apakah mekanisme penyisipan litium sama dengan grafit? Berapa kapasitas penyimpanan litium teoretisnya? Banyak peneliti percaya bahwa karena graphene memiliki dua sisi yang dapat menyerap atom lithium, ia dapat membentuk fase lithium ganda Li2C6 dan memiliki kapasitas spesifik ganda 744 mAh / g. Ada banyak penelitian tentang masalah ini. Beberapa peneliti telah menggunakan perhitungan DFT untuk menemukan bahwa atom litium tidak dapat langsung teradsorpsi pada permukaan graphene. Mereka hanya dapat disematkan di antara lapisan graphene atau ke tengah graphene dan substrat melalui tepi atau cacat tingkat tinggi. Jadi dalam hal ini, apakah itu deinterkalasi atau adsorpsi, dan berapa banyak atom Li yang dapat disimpan?

Hancur

Menanggapi masalah ini, Associate Professor Ji Kemeng dari Universitas Tianjin melaporkan penelitiannya tentang mekanisme interkalasi lithium dari graphene lapis ganda di Nature Communications pada 2019. Mereka menggunakan metode pengendapan uap kimia switching suhu tinggi untuk menyiapkan graphene lapis ganda material dengan permukaan spesifik yang tinggi. Bahan ini tidak perlu dilekatkan pada substrat dan memiliki sedikit cacat, sehingga pengaruh substrat dan cacat pada adsorpsi atau deinterkalasi ion litium dapat dihilangkan, yang bermanfaat untuk mempelajari mekanisme deinterkalasi litium dalam graphene itu sendiri. Uji pelepasan muatan arus konstan dan kurva voltametri siklik menunjukkan bahwa grafena lapis ganda memiliki reaksi reduksi oksidasi elektrokimia yang sama seperti elektroda grafit konvensional, dan ion litium mengalami deinterkalasi di antara dua lembaran grafena. Jarak lapisan graphene adalah satu-satunya ruang untuk penyimpanan litium, dan gagasan untuk menyerap dan menyimpan litium benar-benar merugikan! Ada juga fenomena yang patut diperhatikan. Kapasitas maksimum graphene lapis ganda hanya 180 mAh / g dalam kisaran kepadatan saat ini 0,2-50 A / g. Karakterisasi fase selanjutnya menunjukkan bahwa komposisi stoikiometri dari fase penyimpanan litium adalah LiC12 dan LiC6 dari elektroda non-grafit bukanlah yang disebut fase penyimpanan litium ganda Li2C6.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa model domain Daumas-Hérold&# 39 lebih cocok untuk menggambarkan perilaku penyimpanan lithium dari elektroda grafit daripada model Rüdorff&# 39, dan telah mengakhiri perdebatan setengah abad tentang mekanisme penyimpanan lithium grafit. Pada saat yang sama, kapasitas penyimpanan litium teoretis dari graphene akhirnya telah dikonfirmasi, dan kapasitas teoretis 180mAh / g jauh lebih rendah daripada kapasitas penyimpanan litium elektrokimia dari anoda grafit. Gelembung baterai graphene meledak dengan sendirinya!

Ketertelusuran

Jadi, dari mana asalnya graphene berkapasitas tinggi yang dilaporkan dalam banyak dokumen? Kita tahu bahwa bahan graphene yang biasa dibuat orang bukanlah graphene yang relatif murni seperti di atas. Banyak graphene yang bisa kita peroleh kaya akan cacat (termasuk cacat kekosongan intrinsik bahan karbon dan cacat yang disebabkan oleh situs heteroatom yang dimasukkan secara khusus), dan permukaannya kaya akan berbagai kelompok fungsional (seperti karboksil, hidroksil, Gugus ini mudah berinteraksi secara kimiawi dengan litium, seperti gugus epoksi). Superposisi faktor-faktor ini dan luas permukaan spesifik graphene yang sangat besar itu sendiri akan menyebabkan sejumlah besar litium tidak berpartisipasi dalam reaksi elektrokimia dalam bentuk deinterkalasi, tetapi berkontribusi pada pseudocapacitance dalam bentuk adsorpsi. Efek pseudocapacitance ini membuatnya tampak bahwa kapasitas graphene sangat tinggi dan kinetika elektrokimia cepat, tetapi ini memiliki sedikit pengaruh pada peningkatan kepadatan energi dari baterai penuh. Selain itu, lokasi reaksi yang melimpah dan kandungan cacat yang tinggi juga akan menyebabkan litium aktif yang terbatas untuk terus dikonsumsi, mengakibatkan penurunan efisiensi coulomb, yang berakibat fatal bagi kestabilan kapasitas baterai penuh.

masa depan

Setelah analisa diatas, graphene sebagai bahan elektroda negatif untuk baterai tidak ada harapan lagi jika ingin masuk ribuan rumah tangga. Namun, ini tidak berarti bahwa graphene tidak berguna di bidang penyimpanan energi. Selain kinerja penyimpanan litium, graphene sendiri juga memiliki konduktivitas listrik yang sangat tinggi dan konduktivitas termal yang sangat baik. Dua faktor listrik dan panas memainkan peran penting dalam baterai sebenarnya. Terutama panas, kecelakaan keamanan baterai yang disebabkan oleh pelarian termal bahkan dapat memveto banyak bahan elektroda dengan kinerja elektrokimia yang sangat baik. Jika kelebihan konduktivitas listrik dan termal diterapkan pada baterai," baterai graphene" mungkin juga bersinar.

Tentu saja, sebagai semacam bahan magis, graphene tidak tahu apakah itu akan membawa revolusi baru ke baterai dengan cara lain? Sama seperti laporan media baru-baru ini dari sumber yang tidak diketahui, Mercedes-Benz sedang mengembangkan baterai organik berbasis graphene. Teknologi spesifiknya belum diungkapkan. Bagaimanapun, setidaknya 10 tahun kemudian. Apakah itu revolusi baru atau gelembung baru, kita akan menunggu dan melihat!

Singkatnya, bidang penyimpanan energi, yang bertujuan kepraktisan, bukanlah" kejar bintang" ;. Elektroda negatif graphene yang layak secara teoritis membutuhkan kondisi yang terlalu keras (graphene sempurna). Dalam produksi aktual, perlu membayar harga biaya tinggi, yang bertentangan dengan niat awal untuk meningkatkan kepadatan energi dan mengurangi biaya produksi. Apalagi&# 39, kelayakan teoritis akhirnya terbukti tidak layak. Lain kali akan ada media hype tentang" baterai graphene" ;, Anda harus tetap membuka mata untuk melihat dengan jelas