グラフェン導体は、エネルギー貯蔵用のリチウムイオン電池に適していますか？

電気化学的・機械的特性に優れたスーパーマテリアルとして注目を集めています。 2015年、習近平書記長は、英国訪問中に英国のマンチェスター大学の国立グラファイト研究所を訪問しました。同社は後に、情報通信技術におけるグラフェンアプリケーションの将来に関する研究所との研究に数百万ポンドを投資すると発表しました。国内のA株市場では、グラフェン材料に関する概念的な憶測の嵐もありました。グラフェンのコンセプトに関連する在庫がすべて急増し、多くの電池会社が「世界初のグラフェン電池」を開発したと発表しました。これらは電池メーカーから発売された発煙弾ですが、多くの人の注目を集めています。幅広い注目。

実際、ほとんどのグラフェン電池は、リチウムイオン電池の導電剤として少量のグラフェンしか使用せず、添加量は1％未満であり、本質的にリチウムイオン電池です。グラフェンを使った宣伝スタントにすぎません。 Huaweiグラフェン電池、グラフェンをリチウムイオン電池の熱放散補助剤として使用して、リチウムイオン電池の高温での動作能力を高めるだけで、グラフェンはリチウムイオン電池内の電気化学反応に関与しません。厳密に言えば、グラフェン強化リチウムイオン電池としか言えません。

実際、既存の技術力では、コストの制約などを考慮して、現在、グラフェンは主にリチウムイオン電池の導電剤や補助放熱法として使用されています。カーボンブラックSP、カーボンファイバーVGCFなどの従来のリチウムイオン電池導体は、活性物質と接触しているため、導電性の使用が制限され、導電剤の添加量が増加します。代わりに、グラフェンは薄片状の構造です。活物質との接触は点面接触です。導電剤の役割を最大化し、導電剤の量を減らし、リチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができますが、最高の材料グラフェンの薄片状構造という欠点もあり、リチウムイオンの拡散を妨げます。動作電流密度が大きいと、Li +の拡散インピーダンスが増加し、その結果、バッテリの乗算器の性能が低下します。今日、小さな編集者は、リチウムイオン電池の導電剤としてのグラフェンの長所と短所を分析するために全員を連れて行きました。

天津大学のYangquanhong先生は、グラフェン業界の上級学者です。 2012年にNanoEnergyに掲載された記事で、彼はリチウムイオン電池の導電剤としてのグラフェンの長所と短所を研究しました。ヤン氏の研究では、市販の10Ah「LiFePO4 /グラファイト」正方形リチウムイオン電池が使用されました。研究によると、リチウムイオン電池の従来の導電剤を少量（1％）のグラフェンに置き換えると、化学物質の割合が増えるだけでなく、リチウムイオン電池のインピーダンスが大幅に低下するだけでなく、グラフェンが原因であることが示されていますシート構造、Li +の急速な拡散を妨げる大きな障害となるため、大電流（＆GT; 3Cの場合）で充電および放電されると、リチウムイオン電池の分極が大きくなり、リチウムイオンの放電容量に影響を与えます。電池。この研究は、リチウムイオン電池の充放電比が高くない場合に、グラフェンが導電剤としての用途に適していることを示しています。グラフェンを添加すると、活性物質の割合が大幅に増加し、電極インピーダンスが低下し、リチウムイオン電池のエネルギー密度が増加します。ただし、一部のグラフェンは、パワー電池での使用に適していません（充電および放電倍増率およびGT; 3C ）導電剤として。

実験では、Yangquanhongのチームは、7％のカーボンブラックと3％の導電性グラファイトを使用して、2種類のバッテリーを製造しました。そのうちの1つは通常のコントロールグループバッテリーでした。実験グループは、1％のグラフェンと1％のカーボンブラックを使用しました。導電剤として。テスト結果は、同じコーティング量の下で、グラフェンを使用した実験グループのバッテリー容量（0.5 Cの充電と放電）が対照グループのバッテリーよりも大幅に高く、2つのサイクル特性が類似していることを示しています。そのグラフェンを構築することができます。より効率的な導電性ネットワーク、導電性物質の量を減らすために、リチウムイオン電池の容量を増やし（10％）、電池の分極を減らし、電池のエネルギー密度を上げます。

その後の2倍化実験では、実験グループのグラフェン導電性バッテリーは、0.5 C、1C、および2Cの充電および放電率で、コントロールグループのバッテリーよりも容量が大きく分極が小さいことがわかりました。しかし、充放電倍加率を3Cに上げると、実験群のバッテリー容量は急速に4Ahを下回り、対照群のバッテリー容量は約9Ahのままであり、放電倍加率は引き続き4Cに上昇しました。 。分極が多すぎるためグラフェン導電性バッテリー、放電は不可能になりましたが、コントロールグループは比較的安定していました。

EIS分析は、追加されたグラフェン実験グループバッテリーのオーミックインピーダンスがコントロールグループバッテリーのオーミックインピーダンスよりも大幅に低いことを示しました。これは主に、グラフェンフレーク構造が活物質粒子との良好な接触を形成し、接触抵抗を低減することができたという事実によるものでした。しかし、高周波電荷交換インピーダンスでは、実験グループのバッテリーは対照グループのバッテリーよりも大幅に高く、グラフェンの添加が電極内のLi +の拡散に影響を与えたことを示しています。シミュレーション結果は、主にグラフェンの薄片状構造がLi +の拡散を妨げ、Li +の拡散経路の延長をもたらし、大電流でグラフェンを添加したリチウムイオン電池の分極を増加させることを示しています。その結果、バッテリーの放電容量が得られます。低下。カーボンブラック、導電性炭素繊維、導電性グラファイトなどの従来の材料は断面積が小さいため、Li +の拡散に対する障害が少なく、リチウムイオン電池の大電流放電の性能にほとんど影響を与えません。

この研究は、導電剤としてのグラフェンが電極の導電性を大幅に増加させ、導電剤の量を減らし、リチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができるが、すべてのリチウムイオン電池が導電剤としてグラフェンを使用するのに適しているわけではないことを示しています。、エネルギー貯蔵、電子機器など、充放電電流の需要が高くない一部の領域では、動作電流が小さく、従来の導電剤をグラフェンに置き換えるのに適しています。ただし、高電力電池や電力電池など、充電電流と放電電流を高くする必要がある領域では、グラフェンはリチウムイオン電池の分極を増加させるため、グラフェンとしては適していません。導電剤。

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