O grafeno é um material extraído da grafite e é composto de carbono puro, que é um dos elementos mais importantes da natureza.Pó de óxido de grafeno, como um novo tipo de material, possui um ótimo potencial de aplicação em campos de armazenamento de energia, como baterias de lítio, baterias de lítio-sulfur, baterias de ar, armazenamento de hidrogênio e supercapacitores. O grafeno possui mobilidade eletrônica extremamente alta, área de superfície específica, resistência à tração e excelente flexibilidade. Ele não apenas pode aumentar a densidade de energia e energia das baterias de lítio, obter maior capacidade de armazenamento de lítio e melhor desempenho de carregamento rápido, mas também ajuda a superar os problemas de tecnologia de interface sólida de interface de baterias de estado sólido.
1. Estrutura e propriedades de grafeno
O grafeno é um nano-material bidimensional composto por átomos de carbono, apresentando uma estrutura de treliça hexagonal semelhante a um favo de mel. O comprimento da ligação CC do grafeno é 0. 141 nm, e sua densidade teórica é aproximadamente 0. 77 mg/m². A espessura do grafeno é apenas o diâmetro de um único átomo de carbono.
Os átomos de carbono participam da hibridação de maneira SP², permitindo que os elétrons conduzam suavemente entre as camadas.
Portanto, o grafeno possui excelente condutividade elétrica e atualmente é o material com a menor resistividade conhecida. Essa é uma das razões pelas quais o grafeno tem amplas perspectivas no campo das baterias.
O princípio de trabalho básico das baterias de grafeno é semelhante ao das baterias tradicionais de íons de lítio, com a principal diferença no uso de materiais de eletrodo.
Nas baterias de grafeno, os eletrodos geralmente são feitos de materiais compósitos à base de grafeno, o que permite que as baterias tenham maior condutividade elétrica e velocidade de transmissão de íons mais rápida.A alta área superficial do grafeno fornece locais mais ativos, permitindo o armazenamento de mais cargas e, assim, aumentando a densidade de energia da bateria.
Os materiais de grafeno possuem excelente condutividade térmica. A condutividade térmica da temperatura ambiente teórica de um material de camada única pode atingir 3000-5000 w/(m · k). Essa propriedade pode ser utilizada para estudar o problema de dissipação de calor durante a operação de baterias.
Os materiais de grafeno têm excelentes propriedades mecânicas e são um material com resistência e resistência extremamente alta. Eles podem ser usados para desenvolver e estudar materiais flexíveis de eletrodo.
2. As vantagens do grafeno em aplicações de bateria
2.1 Condutividade elétrica ultra-alta
A mobilidade eletrônica do grafeno é extremamente alta, permitindo que os elétrons se movam rapidamente dentro do material, aumentando significativamente a velocidade de carregamento da bateria. De acordo com dados relevantes, a velocidade de carregamento das baterias de grafeno pode atingir 5 a 10 vezes a das baterias tradicionais de lítio.
2.2. Densidade de energia aprimorada
A estrutura atômica do grafeno permite uma maior área de superfície e atividade eletroquímica, o que ajuda as baterias a armazenar mais energia e aumenta a densidade geral de energia da bateria.
2.3. Estabilidade térmica aprimorada
A excelente condutividade térmica do grafeno ajuda no gerenciamento térmico das baterias durante o carregamento e descarga, o que pode reduzir os incidentes em fuga térmica e aumentar a segurança das baterias.
2.4. Simpatia ambiental
O grafeno pode ser produzido em massa através de métodos como deposição de vapor químico, que é mais amigável ao meio ambiente em comparação com os métodos de produção dos materiais tradicionais da bateria.
3.A aplicação de grafeno em baterias de íons de lítio
3.1 Material de eletrodo negativo de grafeno
O grafeno é usado diretamente como material de eletrodo negativo
O grafeno possui excelente condutividade elétrica, mas sua tendência bidimensional da estrutura microscópica de empilhamento leva facilmente a pesquisas insatisfatórias sobre materiais de eletrodo de grafeno independentes. As principais manifestações são o desempenho ruim da taxa da bateria e da baixa eficiência do ciclo, etc.
Materiais de eletrodos negativos compostos de grafeno
At present, the main graphene negative electrode composite materials include: transition metal oxide/graphene composite materials and graphene-modified silicon-based materials, etc. The research direction of this type of composite materials is to utilize the conductive properties and structural characteristics of graphene materials to assist nanomaterials, improve the lithium-ion transmission rate, thereby enhancing the rate performance of lithium-ion batteries and compensating for the deficiencies and shortcomings de matérias -primas.
3.2. Agente condutor de grafeno
A função básica dos materiais do agente condutor é estabelecer canais de transmissão de íons rápidos entre as partículas ativas dos eletrodos, aumentando assim a velocidade da transmissão de elétrons. Os materiais à base de carbono têm as vantagens de peso leve, alta condutividade, alta condutividade térmica e boa estabilidade química. Atualmente, eles são o tipo de agente condutor mais usado. No entanto, agentes condutores tradicionais, como grafite condutora e preto condutor de carbono em materiais à base de carbono, não podem mais atender às demandas do mercado. A pesquisa e desenvolvimento de novos agentes condutores é imperativa.
- Agente condutor de monocamada de grafeno
O grafeno, como nanomaterial bidimensional, exibe excelente condutividade elétrica. O grafeno com uma grande área de superfície específico é conectado à superfície das partículas positivas do eletrodo e entrelaçam entre si para formar uma enorme rede condutiva de alta velocidade. Isso pode efetivamente aumentar a taxa de migração de íons e elétrons de lítio.
No caso de baterias de carga e descarga de baixa taxa, à medida que a quantidade de grafeno adicionada aumenta, a capacidade específica da descarga aumenta primeiro e depois diminui. Comparado com os agentes condutores comerciais, a adição de uma pequena quantidade de grafeno pode obter um bom efeito condutor e o desempenho da bateria também é melhorado de acordo. No entanto, quando a bateria sofre carga e descarga de alta taxa, o desempenho do uso de grafeno sozinho como agente condutor é inferior ao do agente condutor convencional.
- Agente condutor de grafeno e preto de carbono
Quando grafeno e preto de carbono são combinados para formar um material composto de agente condutor, um grande número de folhas de grafite bidimensional é enrolado uniformemente em torno da estrutura preta de carbono em rede original. As lacunas entre as folhas são preenchidas com preto de carbono, servindo como estrutura de estrutura.
Através da condução cooperativa, a condução bidimensional original nos pontos é transformada em condução tridimensional nos pontos. Ao mesmo tempo, o problema do empilhamento e agregação de grafeno é resolvido e a estabilidade estrutural e a eficiência da condução são aprimoradas.
- Grafeno e nanotubo de carbono aditivo condutor composto
Quando os nanotubos de grafeno/carbono são adicionados como aditivos condutivos aos materiais de bateria de íons de lítio, os dois podem formar uma rede de locais condutores tridimensionais.
Os nanotubos de carbono percorrem cada camada de folhas de grafeno, transformando o espaço de condução bidimensional original em uma estrutura de ponte tridimensional para canais de transmissão. Ele fornece um caminho de condução eletrônica mais rápido e suave, melhorando significativamente a eficiência da transmissão do eletrodo positivo da bateria e a taxa de transmissão dos íons de lítio. Ao mesmo tempo, o efeito da estrutura dos nanotubos de carbono aumenta efetivamente a estabilidade da estrutura do grafeno, impedindo a aglomeração e acumulação.
4.Modificação de interface de baterias de estado sólido
Atualmente, foi feito um progresso significativo na pesquisa de eletrólitos sólidos de alta condutividade. No entanto, as propriedades de umedecimento na interface sólida-sólida formadas com os eletrodos são ruins, o que afeta adversamente a resistência à interface, compatibilidade química e estabilidade da interface.
Na região da interface do eletrodo negativo, a estrutura de grafeno tridimensional, placas laminadas e esferas ocas podem inibir a formação de dendritos de lítio e a expansão do volume do eletrodo durante o carregamento.
Na região da interface do eletrodo positiva, o grafeno é combinado com o material do eletrodo e o eletrólito para melhorar a transferência de carga. Além disso, o grafeno atua como uma camada de buffer, aprimorando a compatibilidade da interface e melhorando o desempenho geral da bateria.
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