グラフェン電池：神話かバブルか？

リチウムイオン電池が直面する課題

リチウムイオンバッテリーの出現以来の過去20年にわたって、私たちの世界と生活は地球を揺るがす変化をもたらしました。消費者向け電子機器や電気自動車などのエネルギー貯蔵デバイスの高比エネルギーおよび高出力の動作要件により、既存のリチウムイオンバッテリーはGG quot;ストレスを受けたGG quot;となっています。バッテリー技術の革新は、電子機器のアップグレードに大きく遅れを取り、ユーザーエクスペリエンスの制約となっています。最大のボトルネック。

従来のリチウムイオンバッテリーは、化学エネルギーと電気エネルギーの変換を実現するために、正と負の材料間で活性リチウムイオンを往復させることに基づいています。ただし、リチウムイオン電池の容量とエネルギー密度がアプリケーションシナリオのニーズに対応できなくなっているのは、まさにこの挿入と抽出の電気化学的メカニズムです。負極材料としては、黒鉛に代表される市販のリチウムイオン電池の負極材料は、リチウムイオンを利用して黒鉛層間にインターカレートして機能している。ただし、グラファイト内のリチウムの位置とグラファイト自体の層間間隔は非常に限られているため、リチウムイオンバッテリーは容量不足と比エネルギーが低いというジレンマに直面します。

グラフェンバッテリー：判明

人が迷っている今、新しいタイプのスターカーボン素材グラフェンが登場！グラフェンは、単層グラファイトと見なすことができ、リチウムのインターカレーションサイトが豊富で、超高電子伝導率と巨大な比表面積を持っています。このようにして、グラフェンはグラファイトに取って代わり、エネルギー貯蔵産業の革命を起こすことができますか？大容量、高エネルギー密度、高速充電で、GG＃39;これらのGGの見積もりではありません; Peach Blossom Springs GGの見積もり;人々が直接追求していることが現実になることですか？ ！さまざまなメディアもグラフェン電池の利点について報告し、対応する誇大宣伝を始めています。しばらくの間、グラフェン電池関連のコンセプトの在庫が人気となっています。バッテリー業界全体が打撃を受けたようです。誰もがグラフェン電池を楽しみにしています。時代の到来。

しかし、これは本当ですか？次のコンテンツは、主に科学的な観点から、誰にとっても神秘的なグラフェンバッテリーのベールを明らかにするためのものです（注：グラフェンバッテリーには明確な概念がありません。グラフェンの役割によると、導電性添加剤としてのグラフェンに大別できます。とグラファイト負極材料としてのエンには2種類ありますが、ここでは電池の負極材料としてのグラフェンについて説明します。

原点

2014年、Scientific Reportはオールグラフェンリチウム電池に関する研究を報告しました。この全グラフェン電池では、正極は表面が官能化されたグラフェン材料であり、負極は還元グラフェン酸化物です。電池全体が正極と負極の表面反応を利用しているため、超高速充放電が可能です。電極全体の質量に基づいて計算された電力密度は、2150W / kgに達する可能性があります。

電力密度の観点からは、バッテリーは確かに有望ですが、エネルギー密度をもう一度見ると、2つの電極の質量に基づいて計算されたエネルギー密度は130 Wh / kgであることがわかります。システムの質量計算に基づいて既存のリチウムイオンバッテリーに到達する（最近人気のあるBYDブレードバッテリーのシステムエネルギー密度は140Wh / kgです。GGの引用;中国製2025 GG引用;車両の単一のエネルギー密度搭載のパワーバッテリーは、2020年までに300Wh / kgに達するはずです。バッテリーシステムに統合されている場合、その質量エネルギー密度はさらに5〜60％割り引かれます。さらに、この全グラフェンバッテリーの正極および負極材料にはリチウムが含まれていないため、フルバッテリーに合わせる前に、ハーフセルでの電気化学的な事前リチウム化を行う必要があります。このように見ると、高出力シナリオで最初に開発されたのはグラフェン電池かもしれませんが、そのエネルギー密度はまだ人々のGG＃39;の期待からかけ離れています。

では、理論的には、グラフェンをグラファイトのような電池の負極材料として使用できますか？リチウム挿入のメカニズムはグラファイトと同じですか？その理論的なリチウム貯蔵容量は何ですか？多くの研究者は、グラフェンにはリチウム原子を吸着できる2つの側面があるため、Li2C6のデュアルリチウム相を形成でき、744 mAh / gの倍の比容量があると信じています。これらの問題については多くの研究があります。一部の研究者は、DFT計算を使用して、リチウム原子がグラフェンの表面に直接吸着できないことを発見しました。それらは、グラフェン層の間、またはエッジまたは高次欠陥を介してグラフェンと基板の中央にのみ埋め込むことができます。この場合、それはデインターカレーションまたは吸着であり、いくつのLi原子を保存できますか？

粉々になった

この問題に対応して、天津大学のJi Kemeng准教授は、2019年にNature Communicationsでの2層グラフェンのリチウム挿入メカニズムに関する研究を報告しました。彼らは、高温スイッチング化学気相成長法を使用して2層グラフェンを準備比表面積の高い素材。この材料は基板に取り付ける必要がなく、欠陥が少ないため、リチウムイオンの吸着または脱インターカレーションに対する基板および欠陥の影響を排除できます。これは、リチウムの脱インターカレーションのメカニズムの研究に有益です。グラフェン自体。定電流充放電テストとサイクリックボルタンメトリー曲線は、2層グラフェンが従来のグラファイト電極と同じ電気化学的酸化還元反応を示し、リチウムイオンが2つのグラフェンシート間でデインターカレーションされることを示しています。グラフェン層の間隔は、リチウムを貯蔵するための唯一のスペースであり、リチウムを吸収および貯蔵するという考えは、自滅的です注目すべき現象もあります。二重層グラフェンの最大容量は、0.2-50 A / gの電流密度範囲でわずか180 mAh / gです。その後の相特性評価では、リチウム貯蔵相の化学量論的組成はLiC12であり、非グラファイト電極のLiC6は、いわゆるデュアルリチウム貯蔵Li2C6相ではないことが示されています。

この研究結果は、Daumas-HéroldGG＃39;のドメインモデルが、RüdorffGG＃39;のモデルよりもグラファイト電極のリチウム貯蔵挙動を説明するのに適していることを示し、リチウム貯蔵メカニズムに関する半世紀にわたる議論を終わらせました。黒鉛。同時に、グラフェンの理論リチウム貯蔵容量が最終的に確認され、180mAh / gの理論容量は、グラファイトアノードの電気化学リチウム貯蔵容量よりもはるかに劣っています。グラフェンバッテリーの気泡が破裂します！

トレーサビリティ

では、多くの文書で報告されているグラフェンの高容量はどこから来ているのでしょうか？私たちは、人々が通常作るグラフェン材料が上記のような比較的純粋なグラフェンではないことを知っています。私たちが入手できるグラフェンの多くは、欠陥（炭素材料の固有の空孔欠陥と特別に導入されたヘテロ原子サイトによって引き起こされる欠陥の両方を含む）が豊富で、表面はさまざまな官能基（カルボキシル、ヒドロキシルなど）が豊富ですこれらの基は、エポキシ基などのリチウムと化学的に相互作用しやすいです）。これらの要素の重ね合わせとグラフェン自体の巨大な比表面積により、大量のリチウムが脱インターカレーションの形で電気化学反応に参加せず、吸着の形で疑似容量に寄与します。これらの疑似容量効果により、グラフェンの容量が非常に高く、電気化学的反応速度が速いように見えますが、これは、バッテリー全体のエネルギー密度の増加にはほとんど影響しません。さらに、豊富な反応サイトと高い欠陥含有量により、限られた活性リチウムが継続的に消費され、クーロン効率が低下します。これは、フルバッテリーの容量安定性にとって致命的です。

未来

上記の分析の後、バッテリーの負極材料としてのグラフェンは、数千世帯に入ろうとしても絶望的です。ただし、これは、グラフェンがエネルギー貯蔵の分野で役に立たないことを意味するものではありません。リチウム貯蔵性能に加えて、グラフェン自体も超高導電性と優れた熱伝導性を備えています。電気と熱の2つの要素は、実際のバッテリーで極めて重要な役割を果たします。特に熱、熱暴走によって引き起こされるバッテリーの安全事故は、優れた電気化学的性能を持つ多くの電極材料を拒否することさえできます。電気伝導性と熱伝導性の両方の利点をバッテリーに適用する場合、GGクォート;グラフェンバッテリーGGクォート;輝くかもしれません。

もちろん、一種の魔法の材料として、グラフェンはそれが他の方法でバッテリーに新しい革命をもたらすかどうか知りませんか？出典不明の最近のメディア報道と同様に、メルセデス・ベンツはグラフェンベースの有機電池を開発しています。具体的な技術はまだ明らかにされていない。とにかく、それは少なくとも10年後でしょう。それが新しい革命であろうと、新しいバブルであろうと、私たちは待って見ます！

要するに、実用性を目指すエネルギー貯蔵の分野は、GGの引用ではなく、星を追いかけるGGの引用ではありません。理論的に実現可能なグラフェン負極は、過酷な条件（完全なグラフェン）を必要とします。実際の生産では、エネルギー密度を高めて生産コストを下げるという本来の意図とは逆に、高い原価を支払う必要があります。 GG＃39;さらに、理論的な実現可能性は最終的に実現不可能であることが証明されました。次回、GG quot;グラフェンバッテリーGG quot;に関するメディアの誇大宣伝があり、はっきりと見るために目を開けておく必要があります