Potencial de aplicación del grafeno - aplicación del grafeno en las baterías de litio

El grafeno tiene una movilidad de electrones, una superficie específica y una resistencia a la tracción ultra elevadas, así como una excelente flexibilidad. No sólo puede mejorar la densidad de energía y potencia de las baterías de litio, obtener una mayor capacidad de almacenamiento de litio y un mejor rendimiento de carga rápida, sino también ayudar a superar los problemas técnicos de interfaz sólido/sólido de las baterías de litio. batería de estado sólido.

Aditivos conductores para materiales catódicos

En la actualidad, el manganato de litio, níquel y cobalto (batería ternaria de litio) y el fosfato de hierro y litio (batería lifepo4) son los materiales catódicos más utilizados para las baterías de iones de litio. Sus ventajas son un buen rendimiento cíclico y una elevada capacidad específica teórica.

Sin embargo, la escasa conductividad de estos materiales hace que la resistencia interna del electrodo sea mayor, lo que afecta gravemente al ciclo, la velocidad y la seguridad de la batería. Por ello, es necesario mejorar su rendimiento añadiendo agentes conductores.

La función básica del material agente conductor es establecer un canal de transporte de iones de alta velocidad entre las partículas activas del electrodo para aumentar la velocidad de transporte de electrones. Los materiales a base de carbono tienen un peso ligero, una elevada conductividad eléctrica y térmica y una buena estabilidad química, y son actualmente el tipo de agente conductor más utilizado.

Los agentes conductores tradicionales, como el grafito conductor y el negro de humo conductor de los materiales a base de carbono, no han podido satisfacer la demanda del mercado, por lo que es imperativo investigar y desarrollar nuevos agentes conductores.

● Agente conductor monofásico de grafeno

Como nanomaterial bidimensional, el grafeno posee una excelente conductividad eléctrica. El grafeno, con una gran superficie específica, se adhiere a la superficie de las partículas del material catódico y se entrelazan entre sí para formar una enorme red conductora de alta velocidad. La velocidad de migración de los iones de litio y los electrones puede mejorarse eficazmente.

Por lo tanto, el material compuesto de grafeno con alta conductividad eléctrica y gran superficie específica y el material del cátodo de la batería de litio pueden superar las deficiencias de la insuficiente conductividad eléctrica del material del electrodo, y dar rienda suelta a las características de alta capacidad específica.

En el caso de las baterías de carga y descarga con una tasa pequeña, a medida que aumenta la cantidad de grafeno añadido, la capacidad específica de descarga aumenta primero y disminuye después. En comparación con los agentes conductores comerciales, la adición de una pequeña cantidad de grafeno puede lograr un buen efecto conductor, y el rendimiento de la batería también mejora en consecuencia.

Sin embargo, cuando la batería se carga y descarga a gran velocidad, el rendimiento de utilizar grafeno solo como agente conductor no es tan bueno como el de los agentes conductores convencionales. Así que se empezó a estudiar la combinación de grafeno y agentes conductores convencionales para formar agentes conductores binarios y añadirlos a las baterías.

● Agente conductor compuesto de grafeno y negro de humo

Cuando el grafeno y el negro de humo se construyen como material compuesto agente conductor, un gran número de láminas bidimensionales de grafeno se envuelven uniformemente sobre la base de la estructura original de negro de humo de cadena de red, y los huecos entre las láminas se rellenan con negro de humo que actúa como estructura esquelética.

Mediante la conducción sinérgica, la conducción bidimensional original en el punto se cambia a la conducción de estructura tridimensional en el punto y, al mismo tiempo, se resuelve el problema de la superposición y aglomeración del grafeno, y se mejoran la estabilidad estructural y la eficacia de la conducción.

● Agente conductor compuesto de grafeno y nanotubos de carbono

Cuando se añaden grafeno/nanotubos de carbono como aditivos conductores a los materiales de las baterías de iones de litio, ambos pueden construir una red tridimensional de sitios conductores. Los nanotubos de carbono atraviesan cada capa de láminas de grafeno, convirtiendo el espacio de conducción bidimensional original en un canal de transporte de estructura puente tridimensional.

Proporciona una vía de conducción de electrones más rápida y suave, lo que mejora enormemente la eficiencia de transmisión y la velocidad de transmisión de los iones de litio en el cátodo de la batería. Al mismo tiempo, el efecto esqueleto de los nanotubos de carbono mejora eficazmente la estabilidad de la estructura de grafeno, evitando la aglomeración y el apilamiento .

Material compuesto del ánodo

El grafeno puede añadirse a los materiales del ánodo de las baterías de litio para mejorar su rendimiento electroquímico. Las baterías de litio convencionales en 10 principales fabricantes de baterías de ión litio utilizan materiales anódicos como el grafito, que tienen una capacidad específica y una densidad energética bajas y no pueden satisfacer las nuevas necesidades del mercado.

En la actualidad, la investigación sobre materiales anódicos se centra principalmente en materiales basados en Si, materiales metálicos de litio, óxidos/sulfuros de metales de transición, etc., que pueden potenciar la capacidad de las baterías. Sin embargo, estos materiales suelen presentar problemas como el gran cambio de volumen y la escasa conductividad, que limitan el rendimiento de las baterías de litio.

Combinar el grafeno con estos nuevos materiales anódicos para construir diversas estructuras de recubrimiento es una forma eficaz de resolver este problema.

● Material de ánodo compuesto de silicio y grafeno.

Por un lado, la estructura del grafeno tiene cierta resistencia mecánica y flexibilidad, lo que puede amortiguar la expansión de volumen del silicio durante el proceso de litiación. Ayuda a mejorar la conductividad del silicio, de modo que se obtiene un material de electrodo compuesto de silicio/grafeno con mejores prestaciones.

Por otro lado, la incorporación de grafeno hace que la dispersión de las nanopartículas de silicio sea más uniforme, lo que favorece la mejora del rendimiento del ciclo del material y de la capacidad específica.

● Materiales de ánodos compuestos de metal de litio y grafeno

El grafeno tiene fuertes propiedades mecánicas, buena flexibilidad y resistencia a la corrosión química, y puede adaptarse al cambio de volumen y al complejo entorno electroquímico del metal de litio durante los ciclos de la batería. Se espera que el uso del ánodo de litio modificado con grafeno consiga proteger el metal de litio.

El estudio descubrió que el grafeno debe tener una estructura porosa y abundantes sitios litiofílicos para estabilizar la película SEI e inhibir eficazmente el crecimiento de dendritas de litio. Al mismo tiempo, el número de capas de apilamiento afectará al grado de unión entre el grafeno y el litio y a la morfología del grafeno en el material compuesto, afectando así al rendimiento electroquímico de los materiales compuestos de grafeno/litio metálico.

● Materiales anódicos compuestos de óxido metálico y grafeno

Cuando se utiliza óxido metálico puro como material de ánodo de la batería, la capacidad específica puede alcanzar 700-1000mAh/g, pero en el proceso de carga y descarga, es propenso a la expansión de volumen, y la capacidad de la batería y el rendimiento de la tasa también disminuirán en consecuencia.

El grafeno se rellena entre las partículas de óxido metálico, lo que no sólo puede ralentizar el cambio de volumen de los óxidos metálicos, sino también mejorar eficazmente el efecto conductor con una buena conductividad eléctrica y una gran superficie específica, aumentar la tasa de transmisión de Li+ y mejorar significativamente la conductividad eléctrica.

La incrustación de óxidos metálicos en el grafeno crea una nueva estructura de transporte tridimensional que hace más estable la estructura del material compuesto, reduce eficazmente el fenómeno de aglomeración y superposición durante la carga y descarga y mejora aún más la capacidad de almacenamiento de la batería.

Modificación de la interfaz de las pilas de estado sólido

En la actualidad, la investigación sobre electrolitos de estado sólido de alta conductividad ha avanzado considerablemente, pero la humectabilidad de la interfaz sólido/sólido formada con los electrodos es deficiente, lo que tiene efectos adversos sobre la resistencia interfacial, la compatibilidad química y la estabilidad interfacial.

En la región de la interfaz del ánodo, la construcción de estructuras tridimensionales de grafeno, laminados y esferas huecas puede inhibir la formación de dendritas de litio y la expansión del volumen del electrodo durante la carga.

En la región de la interfaz catódica, el grafeno se combina con materiales de electrodos y electrolitos para mejorar la transferencia de carga. Además, el grafeno actúa como capa amortiguadora para mejorar la compatibilidad interfacial y mejorar así el rendimiento global de la batería.