リチウム電池におけるグラフェンの重要な役割

グラフェンの性能は疑いの余地がありませんが、それは必ずしもリチウムイオン電池に適していますか？現在市場に出回っている「グラフェン電池」は、不正確な概念です。正確に言えば、リチウム電池の性能を向上させるために、基本的に材料に少量のグラフェンを追加することです。グラフェンベースのリチウム電池と言えます。研究室でリチウムパワー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：炭素原子からなる単原子層の平板であるグラフェンの厚さはわずか0.34 nmで、単層の厚さは髪の毛の直径の5分の1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材料です。光の透過性が良く、折りたたむことができます。原子の層が1つしかないため、電子の運動は平面に限定され、グラフェンにも新しい電気的特性があります。グラフェンの比表面積は約2630m 2 / g、熱伝導率は5000 W / mです。 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2×105cm2 / Vtに達する可能性があります。 s、シリコンの電子移動度は約140倍、ガリウム砒素は20倍、高温安定性、最大108Ω/ mの導電率、表面抵抗は約31Ωです。 / sq（310Ω/ m2）は、銅や銀よりも低く、室温で最高の導電性材料です。

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。グラフェンの量子ホールを室温で観察した。効果。

2.リチウム電池におけるグラフェンの役割

グラフェンは上記のナノサイズの効果、大きな比表面積、優れた導電性、優れた機械的特性を備えているため、正確です。グラフェンは世界中の科学者によって広く研究されており、「グラフェンリチウム電池」を製造しています。この概念では、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？

1）アノード材料

グラフェンは、その独特の二次元構造、優れた電子輸送能力、および大きな比表面積により、新世代のリチウムパワーバッテリーアノード材料としてグラファイトに取って代わる可能性があります。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。充電すると、リチウムイオンは正極から分離され、電解質が挿入された炭素材料層を介してLi2C6に形成されます。放電すると、リチウムイオンが抽出されて正極に戻ります。グラフェンの特殊な2次元構造により、層間間隔が0.7 nmを超えると、グラフェンの両側にリチウムイオンが蓄積され、グラフェンにシワがあるためリチウムが蓄積されるため、理論上の容量は次のようになります。黒鉛。 2回、744mAh / g以上。

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ます。グラフェンの層間隔は通常、グラファイトの層間隔よりもはるかに大きく、リチウムイオン輸送用のチャネルも多くなります。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唱されて以来、多くの学術研究結果は、グラフェンリチウム電池の可逆容量が500mAh / g以上に達することができ、優れたレート性能を持っていることを示しています。実験室条件下で調製されるリチウムイオン負極は、ほとんどがCVD法、ヒドラジン還元、真空吸引濾過、凍結乾燥法などによって調製されるか、または異なるフレークまたは中空球の形態である。

2）導電剤としてのグラフェン

導電剤の主な機能は、電子伝導性を高めることです。電解質はイオン伝導性であり、電子は伝導性ではないため、伝導性薬剤は、電子が生体材料を通って集電体に急速に通過するのを促進します。さらに、導電剤はまた、ポールピースの加工性を改善し、ポールピースへの電解質の浸透を促進し、電気抵抗率を低下させ、それによって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は、ＳＰ、アセチレンブラック等である。従来のカーボンブラックは球形であり、活物質と混合すると混合しやすいが、接触形態は点接触であり、導電効果を発揮し、導電剤の添加量を増やします。総額。一方、グラフェンはシート状の構造であり、活物質との接触は点と表面の接触であり、導電剤等の機能を最大化し、導電剤の量を減らすことができる。これにより、活物質の使用量を増やし、リチウム電池の容量を増やすことができます。ただし、グラフェンのシート状もその欠点です。シート状のグラフェンは溶媒に分散しにくく、凝集しやすいですが、グラフェンの量を増やす必要があります。同時に、そのシート構造はリチウムイオンの拡散を助長しないため、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レート性能を向上させることができますが、実際には、グラフェンのモノリシック層は、特に大きなレートの充電と放電の場合、内部分極がリチウムイオンの拡散を妨げますバッテリーの残量が増え、バッテリーが放電します。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をグラフェンで部分的に置き換えると、導電性薬剤の量が減り、低速放電条件下でバッテリーのエネルギー密度がある程度増加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商業化のための確固たる科学的研究基盤を提供します。それでは、グラフェンリチウムパワーバッテリーの現実は何ですか？何？

最初の製品は、Dongxu Optoelectronicsが2016年に発売した製品「EneKing」でした。2016年7月8日、Dongxu Optoelectronicsは、Diaoyutaiでグラフェンベースのリチウムイオン電池の記者会見を開催し、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。イオン電池製品「アルケンワン」。

2番目の製品は、2016年12月にHuawei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。微量の水を除去し、電解質の熱分解を回避するための電解質。バッテリーの正極は、大きな単結晶の三元材料で修飾されています。材料の熱安定性;同時に、新素材のグラフェンを使用することで、リチウムイオン電池と環境との間の効率的な熱放散を実現できます。

3番目の製品は、DongxuOptoelectronics製の「国内グラフェンバッテリー」とメディアによるBest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、市場にはさまざまなグラフェンリチウム電池の特許がありますが、それらはまだ特許段階にあります。サムスン、パナソニック、LGなどを含め、すべてグラフェンに関連する特許出願があります。現在、グラフェンベースのリチウムイオン電池を大量生産する企業は市場にありません。

4.まとめ

グラフェンの性能は疑いの余地がありませんが、それは必ずしもリチウムイオン電池に適していますか？小さなシリーズでは、グラフェンはリチウムイオン電池には適していません。次の点を考慮してください。

1.コストの問題

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重要な制御要素であり、原材料のコストは削減されません。グラフェンの電気的特性が優れていても、数十万のコストのかかる電池メーカーもそれを買う余裕はありません。

2.プロセスの問題

グラフェンのシート状構造によって引き起こされるプロセスの問題は、主に電極ペーストの調製です。電極ペーストは、良好な流動性、分散性、および適切な粘度を有する必要があります。電極ペースト中のフレークグラフェンの分散は、特に電極ペーストが分散を助けるために分散剤を添加できない場合、非常に難しい問題です。グラフェンの表面積は大きいため、スラリーの沈降安定性に大きな影響を与え、各バッチの一貫性を保証できず、バッテリーの性能に影響を与えません。

3.その他の要因

グラフェンのシート状の構造は、リチウムイオンの拡散を抑制します。リチウムイオンは、バッテリーの深刻な分極を引き起こし、バッテリー容量の低下を引き起こします。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。添加量が多すぎると、バッテリーのエネルギー密度が低下するだけでなく、電解液の吸液量も増加します。一方で、電解質との副反応を増加させ、サイクルに影響を与えます。セキュリティの問題さえあるかもしれません。

現在市場に出回っている「グラフェン電池」は、不正確な概念です。正確に言えば、基本的にリチウム電池の性能を向上させるために材料に少量のグラフェンを加えることは、グラフェンベースのリチウム電池と呼ぶことができます。研究室でリチウムパワー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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