Potentiel d'application du graphène - application du graphène dans les batteries au lithium
Le graphène possède une mobilité électronique, une surface spécifique et une résistance à la traction très élevées, ainsi qu'une excellente flexibilité. Il peut non seulement améliorer l'énergie et la densité de puissance des batteries au lithium, obtenir une plus grande capacité de stockage du lithium et une meilleure performance de charge rapide, mais aussi aider à surmonter les problèmes techniques de l'interface solide/solide des batteries au lithium. batterie à l'état solide.
Additifs conducteurs pour matériaux cathodiques
Actuellement, le manganate de lithium, de nickel et de cobalt (pile ternaire au lithium) et le phosphate de fer lithié (batterie lifepo4) sont les matériaux de cathode les plus couramment utilisés pour les batteries lithium-ion. Leurs avantages sont une bonne performance cyclique et une capacité spécifique théorique élevée.
Cependant, la faible conductivité de ces matériaux augmente la résistance interne de l'électrode, ce qui affecte sérieusement le cycle, la vitesse et la sécurité de la batterie. Il est donc nécessaire d'améliorer ses performances en ajoutant des agents conducteurs.
La fonction de base de l'agent conducteur est d'établir un canal de transport d'ions à grande vitesse entre les particules actives de l'électrode afin d'augmenter la vitesse de transport des électrons. Les matériaux à base de carbone sont légers, ont une conductivité électrique et thermique élevée et une bonne stabilité chimique ; ils constituent actuellement le type d'agent conducteur le plus utilisé.
Les agents conducteurs traditionnels tels que le graphite conducteur et le noir de carbone conducteur dans les matériaux à base de carbone n'ont pas été en mesure de répondre à la demande du marché, c'est pourquoi la recherche et le développement de nouveaux agents conducteurs sont impératifs.
● Agent conducteur monophasé au graphène
En tant que nanomatériau bidimensionnel, le graphène possède une excellente conductivité électrique. Le graphène, avec une grande surface spécifique, est attaché à la surface des particules du matériau de la cathode et s'entrelace pour former un énorme réseau conducteur à grande vitesse. Le taux de migration des ions lithium et des électrons peut être efficacement amélioré.
Par conséquent, le matériau composite composé de graphène ayant une conductivité électrique élevée et une grande surface spécifique et le matériau de la cathode de la batterie au lithium peuvent pallier les insuffisances de la conductivité électrique du matériau de l'électrode et exploiter pleinement les caractéristiques d'une capacité spécifique élevée.
Dans le cas de batteries chargées et déchargées à faible vitesse, la capacité spécifique de décharge augmente puis diminue à mesure que la quantité de graphène ajoutée augmente. Par rapport aux agents conducteurs commerciaux, l'ajout d'une petite quantité de graphène permet d'obtenir un bon effet conducteur, et les performances de la batterie s'en trouvent améliorées d'autant.
Cependant, lorsque la batterie est chargée et déchargée à un rythme élevé, les performances du graphène seul en tant qu'agent conducteur ne sont pas aussi bonnes que celles des agents conducteurs conventionnels. On a donc commencé à étudier la combinaison de graphène et d'agents conducteurs conventionnels pour former des agents conducteurs binaires et les ajouter aux batteries.
● Agent conducteur composite à base de graphène et de noir de carbone.
Lorsque le graphène et le noir de carbone sont utilisés comme matériau conducteur composite, un grand nombre de feuilles de graphite bidimensionnelles sont enveloppées uniformément sur la base de la structure originale de la chaîne de réseau du noir de carbone, et les espaces entre les feuilles sont remplis de noir de carbone qui agit comme une structure squelettique.
Grâce à la conduction synergique, la conduction bidimensionnelle d'origine au point est transformée en conduction de structure tridimensionnelle au point, et en même temps, le problème de la superposition et de l'agglomération du graphène est résolu, et la stabilité structurelle et l'efficacité de la conduction sont améliorées.
● Agent conducteur composite à base de graphène et de nanotubes de carbone.
Lorsque le graphène et les nanotubes de carbone sont ajoutés comme additifs conducteurs aux matériaux des batteries lithium-ion, les deux peuvent construire un réseau tridimensionnel de sites conducteurs. Les nanotubes de carbone traversent chaque couche de feuilles de graphène, transformant l'espace de conduction bidimensionnel d'origine en un canal de transport à structure de pontage tridimensionnelle.
Il fournit un chemin de conduction des électrons plus rapide et plus lisse, ce qui améliore considérablement l'efficacité de transmission et le taux de transmission des ions lithium dans la cathode de la batterie. En même temps, l'effet squelette des nanotubes de carbone renforce efficacement la stabilité de la structure du graphène, évitant l'agglomération et l'empilement.
Matériau anodique composite
Le graphène peut être ajouté aux matériaux d'anode des batteries au lithium pour améliorer leurs performances électrochimiques. Les piles au lithium conventionnelles en les 10 premiers fabricants de batteries lithium-ion utilisent des matériaux d'anode tels que le graphite, qui ont une capacité spécifique et une densité énergétique faibles et ne peuvent pas répondre aux nouveaux besoins du marché.
À l'heure actuelle, la recherche sur les matériaux d'anode se concentre principalement sur les matériaux à base de Si, les matériaux à base de métal de lithium, les oxydes/sulfures de métaux de transition, etc. qui peuvent augmenter la capacité de la batterie. Toutefois, ces matériaux présentent généralement des problèmes tels qu'un changement de volume important et une mauvaise conductivité, qui limitent les performances des batteries au lithium.
La combinaison du graphène avec ces nouveaux matériaux anodiques pour construire diverses structures de revêtement est un moyen efficace de résoudre ce problème.
● Matériau d'anode composite à base de silicium et de graphène
D'une part, la structure du graphène présente une certaine résistance mécanique et une certaine flexibilité, ce qui permet d'amortir l'expansion du volume du silicium au cours du processus de lithiation. Elle permet d'améliorer la conductivité du silicium, afin d'obtenir un matériau d'électrode composite silicium/graphène plus performant.
D'autre part, l'incorporation de graphène rend la dispersion des nanoparticules de silicium plus uniforme, ce qui favorise l'amélioration de la performance du cycle du matériau et de la capacité spécifique.
● Matériaux anodiques composites à base de lithium métal et de graphène.
Le graphène possède de solides propriétés mécaniques, une bonne flexibilité et une bonne résistance à la corrosion chimique. Il peut s'adapter au changement de volume et à l'environnement électrochimique complexe du lithium métal pendant le cycle de la batterie. L'utilisation d'anodes de lithium modifiées au graphène devrait permettre de protéger le lithium métal.
L'étude a montré que le graphène doit avoir une structure poreuse et de nombreux sites lithiophiles afin de stabiliser le film SEI et d'inhiber efficacement la croissance des dendrites de lithium. Dans le même temps, le nombre de couches empilées affectera le degré de liaison entre le graphène et le lithium et la morphologie du graphène dans le matériau composite, affectant ainsi la performance électrochimique des matériaux composites graphène/lithium métal.
● Matériaux anodiques composites à base d'oxyde métallique et de graphène.
Lorsque l'oxyde métallique pur est utilisé comme matériau d'anode de la batterie, la capacité spécifique peut atteindre 700-1000mAh/g, mais au cours du processus de charge et de décharge, il est sujet à une expansion de volume, et la capacité de la batterie et les performances de taux diminueront également en conséquence.
Le graphène est placé entre les particules d'oxyde métallique, ce qui permet non seulement de ralentir le changement de volume des oxydes métalliques, mais aussi de renforcer efficacement l'effet conducteur grâce à une bonne conductivité électrique et une grande surface spécifique, d'augmenter le taux de transmission du Li+ et d'améliorer de manière significative la conductivité électrique.
L'incorporation d'oxydes métalliques dans le graphène crée une nouvelle structure de transport tridimensionnelle, qui rend la structure du matériau composite plus stable, réduit efficacement le phénomène d'agglomération et de superposition pendant la charge et la décharge, et améliore encore la capacité de stockage de la batterie.
Modification de l'interface des piles à l'état solide
À l'heure actuelle, la recherche sur les électrolytes solides à haute conductivité a fait des progrès considérables, mais la mouillabilité de l'interface solide/solide formée avec les électrodes est médiocre, ce qui a des effets négatifs sur la résistance interfaciale, la compatibilité chimique et la stabilité interfaciale.
Dans la région de l'interface de l'anode, la construction de cadres de graphène tridimensionnels, de laminés et de sphères creuses peut inhiber la formation de dendrites de lithium et l'expansion du volume de l'électrode pendant la charge.
Dans la région de l'interface cathodique, le graphène est composé avec des matériaux d'électrode et des électrolytes pour améliorer le transfert de charge. En outre, le graphène agit comme une couche tampon pour améliorer la compatibilité interfaciale et donc les performances globales de la batterie.
