Il grafene è un materiale estratto dalla grafite ed è composto da carbonio puro, che è uno degli elementi più importanti della natura .Polvere di ossido di grafene, come nuovo tipo di materiale, ha un grande potenziale di applicazione nei campi di accumulo di energia come batterie al litio, batterie al litio-zolfo, batterie ad aria, conservazione dell'idrogeno e supercapacutori . grafene non solo una maggiore mobilità di elettroni, una superficie di altissima energia, a una maggiore permanenza, a una maggiore per la difficoltà di alimentazione, a una maggiore permanenza di elettroni, a un'eccicazione della superficie di lito Capacità di archiviazione e migliori prestazioni di ricarica rapida, ma aiuta anche a superare i problemi tecnologici di interfaccia solida delle batterie a stato solido .
1. Struttura e proprietà del grafene
Il grafene è un nano-materiale bidimensionale composto da atomi di carbonio, che presenta una struttura reticolare esagonale che ricorda un nonecomb . La lunghezza del legame CC del grafene è 0 . 141 nm, e la sua densità teorica è circa 0 . 77 m². Lo spessore del grafene è solo il diametro di un singolo atomo di carbonio.
Gli atomi di carbonio partecipano all'ibridazione in modo SP², consentendo agli elettroni di condurre senza intoppi tra gli strati .
Pertanto, il grafene ha un'eccellente conducibilità elettrica ed è attualmente il materiale con la più bassa resistività nota . Questo è uno dei motivi per cui il grafene ha ampie prospettive nel campo delle batterie .
Il principio di lavoro di base delle batterie di grafene è simile a quello delle tradizionali batterie agli ioni di litio, con la differenza principale che giace nell'uso di materiali elettrodi .
Nelle batterie di grafene, gli elettrodi sono in genere realizzati con materiali compositi a base di grafene, che consentono alle batterie di avere una conducibilità elettrica più elevata e una velocità di trasmissione di ioni più veloce .L'alta superficie del grafene fornisce siti più attivi, consentendo lo stoccaggio di più cariche e aumentando così la densità di energia della batteria .
I materiali di grafene possiedono un'eccellente conduttività termica . La conduttività termica teorica a temperatura ambiente di un materiale a livello singolo può raggiungere 3000-5000 w/(m · k) . questa proprietà può essere utilizzata per studiare il problema della dissipazione del calore durante l'operazione di batterie .}
I materiali di grafene hanno eccellenti proprietà meccaniche e sono un materiale con resistenza e resistenza estremamente elevate . possono essere utilizzati per sviluppare e studiare materiali elettrodi flessibili .
2. i vantaggi del grafene nelle applicazioni della batteria
2.1 conducibilità elettrica ultra-alta
La mobilità elettronica del grafene è estremamente elevata, consentendo agli elettroni di muoversi rapidamente all'interno del materiale, aumentando così significativamente la velocità di ricarica della batteria . in base ai dati rilevanti, la velocità di ricarica delle batterie del grafene può raggiungere da 5 a 10 volte quella delle tradizionali batterie al litio .}}}}}}}
2.2. densità di energia migliorata
La struttura atomica del grafene consente una maggiore superficie e un'attività elettrochimica, che aiuta le batterie a archiviare più energia e aumenta la densità di energia complessiva della batteria .
2.3. stabilità termica migliorata
L'eccellente conduttività termica del grafene aiuta con la gestione termica delle batterie durante la ricarica e lo scarico, che può ridurre gli incidenti in fuga termica e migliorare la sicurezza delle batterie .
2.4. cordialità ambientale
Il grafene può essere prodotto in serie attraverso metodi come la deposizione di vapore chimico, che è più rispettoso dell'ambiente rispetto ai metodi di produzione dei materiali tradizionali della batteria .
3.L'applicazione del grafene nelle batterie agli ioni di litio
3.1 Materiale dell'elettrodo negativo di grafene
Il grafene viene utilizzato direttamente come materiale dell'elettrodo negativo
Il grafene ha un'eccellente conducibilità elettrica, ma la tendenza della sua struttura microscopica bidimensionale di impilare porta facilmente a ricerche insoddisfacenti su materiali di elettrodo di grafene indipendenti . le manifestazioni principali sono scarse prestazioni della batteria e bassa efficienza del ciclo, ecc. .}}}
Materiali elettrodi negativi compositi di grafene
Al momento, i principali materiali compositi dell'elettrodo negativo di grafene includono: materiali compositi di ossido di metallo/grafene di transizione e materiali a base di silicio modificati dal grafene, ecc. . La direzione di ricerca di questo tipo di materiali compositi è quello di migliorare le prestazioni conduttive di litium. compensando le carenze e le carenze delle materie prime .
3.2. agente conduttivo di grafene
La funzione di base dei materiali dell'agente conduttivo è quella di stabilire canali di trasmissione a ioni rapidi tra le particelle attive degli elettrodi, aumentando così la velocità della trasmissione di elettroni . materiali a base di carbonio hanno i vantaggi di peso leggero, ad alta conducibilità terma La grafite conduttiva e il nero di carbonio conduttivo nei materiali a base di carbonio non possono più soddisfare le esigenze del mercato . La ricerca e lo sviluppo di nuovi agenti conduttivi è imperativo .
- Agente conduttivo monostrato di grafene
Il grafene, come nanomateriale bidimensionale, presenta un'eccellente conducibilità elettrica . grafene con una grande superficie specifica è attaccato alla superficie delle particelle di elettrodo positive e intreccia tra loro per formare un'enorme rete conduttiva ad alta velocità . questo può aumentare effettivamente la velocità migrativa del litio e degli elettroni.
Nel caso di batterie di carica e scarica a basso tasso, poiché la quantità di grafene aggiunta aumenta, la capacità specifica di scarico aumenta prima e quindi diminuisce . rispetto agli agenti conduttivi commerciali, aggiungendo che una piccola quantità di grafene può ottenere un buon effetto conduttivo e le prestazioni della batteria è anche una grafica di una grafica Agente conduttivo convenzionale .
- Agente conduttivo composito di grafene e carbonio
Quando il grafene e il nero di carbonio sono combinati per formare un materiale agente conduttivo composito, un gran numero di fogli di grafite bidimensionale sono uniformemente avvolti attorno alla struttura di nero di carbonio in rete originale . le lacune tra i fogli sono riempiti di nero di carbonio, fungendo da struttura del framework .}}}}}}}}}}}}}}}}}}}
Attraverso la conduzione cooperativa, la conduzione bidimensionale originale nei punti viene trasformata in conduzione tridimensionale nei punti . contemporaneamente, il problema dello stacking e dell'aggregazione del grafene viene risolto e la stabilità strutturale e l'efficienza di conduzione sono migliorate .}
- Additivo conduttivo composito di grafene e nanotubo di carbonio
Quando i nanotubi di grafene/carbonio vengono aggiunti come additivi conduttivi ai materiali della batteria agli ioni di litio, i due possono formare una rete di sito conduttivo tridimensionale .
I nanotubi di carbonio attraversano ogni strato di fogli di grafene, trasformando lo spazio conduttore bidimensionale originale in una struttura di ponte tridimensionale per i canali di trasmissione . fornisce un percorso di conduttore elettronico più veloce e più fluido, al massimo, migliorando l'efficienza di trasmissione della batteria di efficienza di carbonio di efficienza di carbonio {3}. I nanotubi migliorano efficacemente la stabilità della struttura del grafene, prevenendo l'agglomerazione e l'accumulo .
4.Modifica dell'interfaccia di batterie a stato solido
Al momento, sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca di elettroliti solidi ad alta conduttività ., tuttavia, le proprietà di bagnatura nell'interfaccia solide-solide formate con gli elettrodi sono scarse, il che influisce negativamente sulla resistenza dell'interfaccia, la compatibilità chimica e la stabilità dell'interfaccia .}
Nella regione di interfaccia dell'elettrodo negativo, il framework di grafene tridimensionale, le piastre laminate e le sfere cave possono inibire la formazione di dendriti di litio e l'espansione del volume dell'elettrodo durante la carica .
Nella regione di interfaccia dell'elettrodo positivo, il grafene è combinato con il materiale dell'elettrodo e l'elettrolita per migliorare il trasferimento di carica . inoltre, il grafene funge da livello buffer, migliorando la compatibilità dell'interfaccia e migliorando quindi le prestazioni complessive della batteria .}
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