リチウム電池でグラフェンはどのような役割を果たしますか

グラフェンの性能は間違いなく優れていますが、リチウムイオン電池に適していますか？現在、市場で主張されている「グラフェン電池」は不正確な概念です。正確には、基本的には材料に少量のグラフェンを添加して、グラフェンベースのリチウムイオン電池と呼ばれるリチウム電池の性能を向上させます。実験室でリチウム電池やスーパーキャパシタを製造するための負極材料としてグラフェンが使用されていることを排除するものではありませんが、要件は比較的高くなっています。要約すると、グラフェンはリチウム電池の調味料として使用できますが、主成分としては適していません。

1.グラフェンの構造と性質

物理的構造：グラフェンは、炭素原子で構成される単一の原子層を持つ平板です。その厚さはわずか0.34ナノメートルです。単層の厚さは、人間の髪の毛の直径の1 / 150,000に相当します。これは、世界で知られている最も薄くて硬いナノメートルの材料であり、優れた光透過性と折り畳み能力を備えています。原子の層が1つしかないため、電子は1つの平面に閉じ込められ、グラフェンにはまったく新しい一連の電気的特性があります。グラフェンの比表面積は約2630m2 / g、熱伝導率は5000W / m＆dotでした。 K。

電気的特性：グラフェンには、独自のキャリア特性と質量のないディラックフェルミオン特性があります。その電子移動度は2x 105cm2 /v。Sに達することができます。これは、シリコンの電子移動度の約140倍、ヒ化ガリウム20倍、高温安定性、最大108Ω/ mの導電率、表面抵抗は約銅や銀よりも低い31Ω/ sq（310Ω/ m2）は、室温で最高の材料伝導率です。

さらに、グラフェンの電子キャリアと正孔キャリアの半整数量子ホール効果は、電場の作用によって化学ポテンシャルを変化させることによって観察できますが、Novoselov etal。室温でグラフェンのこの量子ホール効果を観察しました。

リチウム電池の2つのグラフェン

これは、上記のナノメートルサイズの効果を持つグラフェンのおかげで、世界中の科学者によって広く研究されているグラフェンのように、比表面積が大きく、導電性が高く、機械的特性が優れており、「グラフェンリチウム電池」の概念を生み出しました。グラフェンはリチウム電池にどのような役割を果たしていますか？

ネガティブマテリアル

グラフェンは、その独特の2次元構造、優れた電子伝送容量、および大きな比表面積により、リチウムイオン電池の新世代のカソード材料としてグラファイトに取って代わる大きな可能性を秘めています。グラフェンのリチウム貯蔵メカニズムは、他の炭素材料のそれと類似しています。リチウムイオンは、充電中に正極から分離され、炭素材料の中間層に埋め込まれた電解質によって形成されて、Li2C6を形成します。リチウムイオンは分離され、放電中に正極に戻ります。グラフェンの特殊な二次元構造により、シート間隔が0.7nmを超えると、グラフェンの両面にリチウムイオンを蓄積できます。同時に、プリーツグラフェンの存在により、リチウムも貯蔵することができます。したがって、グラフェンの理論容量はグラファイトの2倍であり、744mAh / gを超える可能性があります。

さらに、グラフェンはほとんどがマイクロナノサイズであり、バルクグラファイトよりもはるかに小さいため、Liイオンの拡散経路が短くなり、グラフェン層間の間隔は通常、グラファイトよりもはるかに大きくなります。リチウムイオンの伝達。したがって、グラファイトと比較して、負極としてグラフェンを使用すると、バッテリーの性能が向上します。グラフェン電池の概念が提案されて以来、多くの学術研究により、グラフェンリチウム電池の可逆容量は500mAh / gを超えることができ、優れた乗算器性能を備えていることが示されています。実験室条件下で調製されたリチウム電気陰性電極は、ほとんどの場合、CVD法、ヒドラジン水和物還元、真空濾過、および凍結乾燥法を採用して、薄片状または中空球状のグラフェンを調製します。

2.導電剤としてのグラフェンACTS

導電剤の主な役割は、電解質がイオン伝導性であり、電子が伝導できないため、電子伝導性を改善することです。したがって、伝導剤は、生体を介してコレクター流体への電子の迅速な通過を促進することです。さらに、導電剤はまた、電極シートの処理を改善し、電極シートへの電解質の浸透を促進し、抵抗率を低下させ、リチウム電池の耐用年数を改善することができる。

現在、一般的に使用されている導電剤には、SPやアセチレンブラックなどがあります。従来のカーボンブラックは球形であり、生体と均一に混合される可能性が高くなります。ただし、接触形態はスポット接触であるため、導電性の役割が制限され、導電性薬剤の量が増加します。しかし、グラフェンは活物質と点と面が接触するシート構造であるため、導電剤の役割を最大化し、導電剤の量を減らして、より多くの活物質を使用し、リチウム電池の容量を向上させることができます。 。ただし、シート内のグラフェンも欠点です。グラフェンのシートは、溶媒に分散するのがより難しく、一緒に凝集する可能性が高くなります。代わりに、使用するグラフェンの量を増やす必要があります。同時に、そのラメラ構造はリチウムイオンの拡散を助長せず、セルの内部抵抗が増加し、バッテリーの故障が加速します。

理論的には、グラフェンの超高速伝導性はバッテリーの乗算器性能を向上させることができますが、実際には、グラフェン単層の結果は、特に高速で充電および放電する場合に、リチウムイオンの拡散を妨げます。バッテリー内部の分極が増加し、バッテリーの放電容量が減少します。関連する研究では、導電性カーボンブラックの代わりにグラフェンを部分的に使用すると、導電性薬剤の量が減り、低速放電の条件下でバッテリーのエネルギー密度がある程度向上することが示されています。

3.グラフェンリチウム電池の工業化プロセス

実験室および研究開発条件下で調製されたグラフェンアノード材料およびグラフェン導電剤の成功例は、工業生産におけるグラフェンリチウムイオン電池の製品化のための確固たる科学的研究基盤を提供してきました。では、実際のグラフェンリチウムイオン電池の状況はどうでしょうか。

最初の製品は、2016年に東徐が発売した「キングオブエネ」です。2016年7月8日、イーストライトはディアオユタイでグラフェンベースのリチウムイオン電池製品を発売し、世界初のグラフェンベースのリチウムイオン電池を発売しました。製品-「エネの王」。

2番目の製品は、2016年12月にファーウェイが発売した業界初の高温長寿命グラフェン支援リチウム電池です。グラフェン支援高温リチウムイオン電池技術の飛躍的進歩は、主に3つの側面からもたらされます。微量の水を取り除き、電解質の高温分解を避けます。電池の正極は、材料の熱安定性を向上させるために、改良された大きな単結晶三元材料で作られています。同時に、新素材のグラフェン、リチウムイオン電池、環境を利用することで、効率的な放熱が可能です。

3番目の製品は、メディアが言及しているように、Dongxu光電製の最高の「国内グラフェンバッテリー」です。事実は、グラフェンが横隔膜に使用されているということです...

もちろん、市場にはグラフェンリチウム電池に関するさまざまな特許がありますが、それは特許段階にすぎません。サムスン、パナソニック、LGなどはすべてグラフェン関連の特許出願をしています。現在、市場にはグラフェンベースのリチウムイオン電池の量産はありません。

4.要約すると

グラフェンの性能は間違いなく優れていますが、リチウムイオン電池に適していますか？簡単に言うと、グラフェンはリチウムイオン電池には適していません。ここにいくつかの考慮事項があります：

1.費用

導電剤としてグラフェンを使用するコストは、通常のカーボンブラックよりもはるかに高くなります。リチウム電池のコストは、原材料のコストを削減しない重要な制御要素です。グラフェンの電気的特性が良好であっても、数十万トンの電池のコストは電池メーカーが使用することはできません。

2.プロセスの問題

グラフェンのフレーク構造によって引き起こされる主な技術的問題は、電極スラリーの調製です。電極スラリーは、良好な流動性、分散性、および適切な粘度を備えている必要があります。電極スラリー中のシートグラフェンの分散は、特に分散剤を添加することによってスラリーを分散させることができないため、難しい問題である。グラフェンの表面積は非常に大きく、スラリーの沈降安定性に大きな影響を与え、各バッチの一貫性は保証できず、バッテリーの性能に影響を与えます。

3.その他の要因

グラフェンのフレーク構造はリチウムイオンの拡散を抑制します。リチウムイオンは、深刻なバッテリー分極とバッテリー容量の低下を引き起こす可能性があります。グラフェン表面の豊富な官能基は、グラフェン表面の小さな傷です。過剰に添加すると、バッテリーのエネルギー密度が低下するだけでなく、電解液に吸収される液体の量も増加します。一方で、電解質との副反応が増加し、真円度に影響を与え、安全上の問題を引き起こす可能性さえあります。

現在、市場で主張されている「グラフェン電池」は不正確な概念です。正確には、基本的に材料に少量のグラフェンを追加して、一部のリチウム電池の性能を向上させます。グラフェン系リチウムイオン電池と言えます。実験室でリチウム電池やスーパーキャパシタを製造するための負極材料としてグラフェンが使用されていることを排除するものではありませんが、要件は比較的高くなっています。要約すると、グラフェンはリチウム電池の調味料として使用できますが、主成分としては適していません。

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