Les piles au graphène: un mythe ou une bulle?

Les défis des batteries lithium-ion

Au cours des deux dernières décennies depuis l'avènement des batteries lithium-ion, notre monde et notre vie ont apporté des changements révolutionnaires. Les exigences de fonctionnement en énergie spécifique élevée et en puissance élevée des dispositifs de stockage d'énergie tels que les équipements électroniques grand public et les véhicules électriques ont rendu les batteries lithium-ion existantes&"a souligné GG". L'innovation de la technologie des batteries est loin derrière la mise à niveau des équipements électroniques et est devenue une contrainte pour l'expérience utilisateur. Le plus gros goulot d'étranglement.

Les batteries lithium-ion traditionnelles sont basées sur la navette d'ions lithium actifs entre les matériaux positifs et négatifs pour réaliser la conversion d'énergie chimique et d'énergie électrique. Cependant, c'est précisément ce mécanisme électrochimique d'insertion et d'extraction qui rend la capacité et la densité d'énergie des batteries lithium-ion de plus en plus incapables de répondre aux besoins des scénarios d'application. En termes de matériaux d'électrode négative, les matériaux d'électrode négative des batteries lithium-ion commerciales représentées par le graphite utilisent des ions lithium pour se désintercaler entre les couches de graphite pour travailler. Cependant, les sites de lithium dans le graphite et l'espacement entre les couches du graphite lui-même sont très limités, ce qui oblige les batteries lithium-ion à faire face au dilemme d'une capacité insuffisante et d'une faible énergie spécifique.

Batterie au graphène: avéré

À une époque où les gens sont perdus, un nouveau type de matériau de carbone étoile-graphène est sorti! Le graphène peut être considéré comme un graphite monocouche, qui possède d'abondants sites d'intercalation du lithium, une conductivité électronique ultra-élevée et une énorme surface spécifique. De cette manière, le graphène peut-il remplacer le graphite pour faire exploser une révolution dans l'industrie du stockage d'énergie? Avec une capacité élevée, une densité d'énergie élevée et une charge rapide, ne portez pas ces&'Peach Blossom Springs GG'. que les gens ont poursuivi directement devenu réalité? ! Divers médias ont également commencé à faire état des avantages des piles au graphène et à faire du battage publicitaire correspondant. Pendant un certain temps, les stocks de concepts liés aux batteries au graphène sont devenus populaires. L'ensemble de l'industrie des batteries semble avoir été battu. Tout le monde attend avec impatience les piles au graphène. L'arrivée des temps.

Cependant, est-ce vraiment le cas? Le contenu suivant est principalement d'un point de vue scientifique pour découvrir le voile de la mystérieuse batterie de graphène pour tout le monde (Remarque: la batterie au graphène n'a pas encore de concept clair, selon le rôle du graphène peut être grossièrement divisé en graphène en tant qu'additif conducteur et graphite Il existe deux types d'ène comme matériau d'électrode négative. Cet article traite du graphène comme matériau d'électrode négative de la batterie).

origine

En 2014, Scientific Report a fait état d'un travail sur les batteries au lithium tout graphène. Dans cette batterie entièrement en graphène, l'électrode positive est en graphène fonctionnalisé en surface et l'électrode négative est en oxyde de graphène réduit. La batterie entière utilise la réaction de surface des électrodes positives et négatives, de sorte qu'elle peut atteindre un taux de charge et de décharge très élevé. La densité de puissance calculée en fonction de la masse totale de l'électrode peut atteindre 2150 W / kg.

Du point de vue de la densité de puissance, la batterie est en effet prometteuse, mais quand on regarde à nouveau la densité d'énergie, on peut constater que la densité d'énergie calculée en fonction de la masse des deux électrodes n'est que de 130Wh / kg, ce qui est juste capable pour atteindre la batterie lithium-ion existante basée sur le calcul de la masse du système (la densité d'énergie du système de la batterie à lame BYD récemment populaire est de 140Wh / kg;" Fabriqué en Chine 2025" propose clairement que la densité d'énergie unique du véhicule - les batteries d'alimentation montées devraient atteindre 300Wh / kg d'ici 2020). S'il est intégré à un système de batterie, sa densité d'énergie massique sera réduite de cinq à soixante pour cent supplémentaires. De plus, les matériaux d'électrode positive et négative de cette batterie entièrement en graphène ne contiennent pas de lithium, de sorte qu'une pré-lithiation électrochimique dans la demi-cellule doit être effectuée avant l'adaptation à une batterie pleine. En regardant les choses de cette façon, les batteries au graphène sont peut-être les premières à se développer dans des scénarios de haute puissance, mais leur densité énergétique est encore loin des attentes des gens de GG.

Donc, en théorie, le graphène peut-il être utilisé comme matériau d'électrode négative pour des batteries comme le graphite? Le mécanisme d'insertion du lithium est-il le même que celui du graphite? Quelle est sa capacité de stockage théorique du lithium? De nombreux chercheurs pensent que le graphène ayant deux faces capables d'adsorber les atomes de lithium, il peut former une double phase de lithium de Li2C6 et a une double capacité spécifique de 744 mAh / g. Il existe de nombreuses recherches sur ces questions. Certains chercheurs ont utilisé des calculs DFT pour constater que les atomes de lithium ne peuvent pas être directement adsorbés à la surface du graphène. Ils ne peuvent être noyés qu'entre les couches de graphène ou au milieu du graphène et du substrat par des bords ou des défauts d'ordre élevé. Alors dans ce cas, est-ce une désintercalation ou une adsorption, et combien d'atomes de Li peuvent être stockés?

Brisé

En réponse à ce problème, le professeur agrégé Ji Kemeng de l'Université de Tianjin a rendu compte de ses recherches sur le mécanisme d'intercalation du lithium du graphène double couche dans Nature Communications en 2019. Ils ont utilisé une méthode de dépôt chimique en phase vapeur par commutation à haute température pour préparer un graphène double couche matériau à surface spécifique élevée. Ce matériau n'a pas besoin d'être fixé sur le substrat et présente peu de défauts, de sorte que l'influence du substrat et des défauts sur l'adsorption ou la désintercalation des ions lithium peut être éliminée, ce qui est bénéfique pour l'étude du mécanisme de désintercalation du lithium en graphène lui-même. Les tests de charge-décharge à courant constant et les courbes de voltamétrie cyclique montrent que le graphène double couche a la même réaction d'oxydo-réduction électrochimique que les électrodes de graphite conventionnelles, et les ions lithium sont désintercalés entre les deux feuilles de graphène. L'espacement des couches de graphène est le seul espace de stockage du lithium, et l'idée d'absorber et de stocker le lithium est vouée à l'échec! Il y a aussi un phénomène remarquable. La capacité maximale du graphène double couche n'est que de 180 mAh / g dans la plage de densité de courant de 0,2 à 50 A / g. La caractérisation de phase ultérieure montre que la composition stoechiométrique de la phase de stockage de lithium est LiC12 et que le LiC6 de l'électrode sans graphite n'est pas la phase dite Li2C6 de stockage de lithium double.

Ce résultat de recherche montre que le modèle de domaine de Daumas-Hérold&est plus approprié pour décrire le comportement de stockage du lithium des électrodes en graphite que le modèle de Rüdorff GG, et a mis fin au débat d'un demi-siècle sur le mécanisme de stockage du lithium de graphite. Dans le même temps, la capacité théorique de stockage du lithium du graphène a finalement été confirmée, et la capacité théorique de 180mAh / g est bien inférieure à la capacité de stockage électrochimique du lithium de l'anode en graphite. La bulle de la batterie au graphène éclate d'elle-même!

Traçabilité

Alors, d'où vient la haute capacité de graphène rapportée dans de nombreux documents? Nous savons que les matériaux en graphène que les gens fabriquent habituellement ne sont pas du graphène relativement pur comme ci-dessus. La plupart des graphènes que nous pouvons obtenir sont riches en défauts (y compris à la fois les défauts de vacance intrinsèque des matériaux en carbone et les défauts causés par des sites d'hétéroatomes spécialement introduits), et la surface est riche en une variété de groupes fonctionnels (tels que carboxyle, hydroxyle, Ces groupes sont faciles à interagir chimiquement avec le lithium, tels que les groupes époxy). La superposition de ces facteurs et l'énorme surface spécifique du graphène lui-même amèneront une grande quantité de lithium à ne pas participer à la réaction électrochimique sous forme de désintercalation, mais à contribuer à la pseudocapacité sous forme d'adsorption. Ces effets de pseudocapacité font apparaître que la capacité en graphène est très élevée et la cinétique électrochimique est rapide, mais cela a peu d'effet sur l'augmentation de la densité d'énergie de la batterie pleine. De plus, les sites de réaction abondants et la teneur élevée en défauts entraîneront également une consommation continue du lithium actif limité, ce qui entraînera une diminution de l'efficacité coulombique, ce qui est fatal à la stabilité de capacité de la batterie pleine.

futur

Après l'analyse ci-dessus, le graphène en tant que matériau d'électrode négative pour les batteries est sans espoir s'il veut entrer dans des milliers de foyers. Cependant, cela ne signifie pas que le graphène est inutile dans le domaine du stockage d'énergie. En plus des performances de stockage du lithium, le graphène lui-même a également une conductivité électrique ultra-élevée et une excellente conductivité thermique. Les deux facteurs de l'électricité et de la chaleur jouent un rôle central dans les batteries réelles. En particulier la chaleur, les accidents de sécurité des batteries induits par l'emballement thermique peuvent même opposer un veto à de nombreux matériaux d'électrodes avec d'excellentes performances électrochimiques. Si les avantages de la conductivité électrique et thermique sont appliqués à la batterie, la batterie au graphène" peut aussi briller.

Bien sûr, en tant que matériau magique, le graphène ne sait pas s'il apportera une nouvelle révolution à la batterie par d'autres moyens? Tout comme les récents reportages des médias provenant de sources inconnues, Mercedes-Benz développe une batterie organique à base de graphène. La technologie spécifique n'a pas encore été divulguée. Quoi qu'il en soit, ce sera au moins 10 ans plus tard. Qu'il s'agisse d'une nouvelle révolution ou d'une nouvelle bulle, nous attendrons de voir!

En bref, le domaine du stockage d'énergie, qui vise la praticité, n'est pas&«chassant les étoiles GG». L'électrode négative en graphène théoriquement réalisable nécessite des conditions trop sévères (graphène parfait). Dans la production réelle, il est nécessaire de payer un prix de revient élevé, ce qui est contraire à l'intention initiale d'augmenter la densité énergétique et de réduire les coûts de production. De plus, la faisabilité théorique s'est finalement avérée irréalisable. La prochaine fois qu'il y aura un battage médiatique sur" batterie au graphène", vous devez garder les yeux ouverts pour voir clairement