Le graphène est un matériau extrait du graphite et est composé de carbone pur, qui est l'un des éléments les plus importants de la nature .Poudre d'oxyde de graphène, en tant que nouveau type de matériau, possède un grand potentiel d'application dans les champs de stockage d'énergie tels que les batteries au lithium, les batteries lithium-sulfure, les batteries d'air, le stockage d'hydrogène et les supercondensateurs . graphène possèdent une mobilité électronique extrême Capacité de stockage et meilleures performances de charge rapide, mais contribue également à surmonter les problèmes de technologie d'interface solide solide des batteries à semi-conducteurs .
1. Structure et propriétés du graphène
Le graphène est un nano-matériel bidimensionnel composé d'atomes de carbone, présentant une structure de réseau hexagonale ressemblant à un nid d'abeille . La longueur de liaison CC du graphène est 0 . 141 nm, et sa densité théorique est approximativement 0 . 77 mg / m². L'épaisseur du graphène n'est que le diamètre d'un seul atome de carbone.
Les atomes de carbone participent à l'hybridation d'une manière SP², permettant aux électrons de se comporter en douceur entre les couches .
Par conséquent, le graphène a une excellente conductivité électrique et est actuellement le matériau avec la résistivité la plus faible connue . C'est l'une des raisons pour lesquelles le graphène a de larges perspectives dans le domaine des batteries .
Le principe de travail de base des batteries en graphène est similaire à celui des batteries lithium-ion traditionnelles, avec la principale différence se trouvent dans l'utilisation des matériaux d'électrode .
Dans les batteries en graphène, les électrodes sont généralement faites de matériaux composites à base de graphène, ce qui permet aux batteries d'avoir une conductivité électrique plus élevée et une vitesse de transmission ionique plus rapide .La surface élevée du graphène fournit des sites plus actifs, permettant le stockage de plus de charges et augmentant ainsi la densité d'énergie de la batterie .
Les matériaux de graphène possèdent une excellente conductivité thermique . La conductivité thermique théorique à température ambiante d'un matériau à couche unique peut atteindre 3000-5000 avec (m · k) . Cette propriété peut être utilisée pour étudier le problème de dissipation de chaleur pendant le fonctionnement des batteries .
Les matériaux de graphène ont d'excellentes propriétés mécaniques et sont un matériau avec une ténacité et une résistance extrêmement élevées ., ils peuvent être utilisés pour développer et étudier les matériaux d'électrode flexibles .
2. Les avantages du graphène dans les applications de batterie
2.1 Conductivité électrique ultra-élevée
La mobilité des électrons du graphène est extrêmement élevée, permettant aux électrons de se déplacer rapidement dans le matériau, augmentant ainsi considérablement la vitesse de charge de la batterie . en fonction des données pertinentes, la vitesse de charge des batteries de graphène peut atteindre 5 à 10 fois celle des batteries de lithium traditionnelles .
2.2. densité d'énergie améliorée
La structure atomique du graphène permet une plus grande surface et une activité électrochimique, qui aide les batteries à stocker plus d'énergie et augmente la densité d'énergie globale de la batterie .
2.3. Amélioration de la stabilité thermique
L'excellente conductivité thermique du graphène aide à la gestion thermique des batteries lors de la charge et de la décharge, ce qui peut réduire les incidents en retour thermique et améliorer la sécurité des batteries .
2.4. convivialité environnementale
Le graphène peut être produit en masse par des méthodes telles que le dépôt de vapeur chimique, qui est plus respectueux de l'environnement par rapport aux méthodes de production des matériaux de batterie traditionnels .
3.L'application du graphène dans les batteries au lithium-ion
3.1 Matériau d'électrode négative en graphène
Le graphène est directement utilisé comme matériau d'électrode négatif
Le graphène a une excellente conductivité électrique, mais la tendance de la structure microscopique bidimensionnelle à s'empiler conduit facilement à des recherches insatisfaisantes sur les matériaux indépendants de l'électrode de graphène . Les principales manifestations sont de mauvaises performances de taux de la batterie et de la faible efficacité du cycle, etc. .
Matériaux d'électrode négative composite de graphène
À l'heure actuelle, les principaux matériaux composites d'électrode négative en graphène comprennent: la transition des matériaux composites d'oxyde de métal / graphène et des matériaux à base de silicium modifié en graphène, etc. les lacunes et les lacunes des matières premières .
3.2. Agent conducteur de graphène
La fonction de base des matériaux d'agent conductrices consiste à établir des canaux de transmission ioniques rapides entre les particules actives des électrodes, augmentant ainsi la vitesse de transmission électronique . Les matériaux à base de carbone ont les avantages de la conductivité légère, de la conductivité thermique élevée et de la stabilité chimique bonne {2}, ils sont actuellement le plus largement utilisé de type d'agent conducteur {3} comme le graphite conducteur et le noir de carbone conducteur dans les matériaux à base de carbone ne peuvent plus répondre aux demandes du marché . La recherche et le développement de nouveaux agents conducteurs sont impératifs .
- Agent conducteur monocouche de graphène
Le graphène, en tant que nanomatériau bidimensionnel, présente une excellente conductivité électrique . du graphène avec une grande surface spécifique est attachée à la surface des particules d'électrodes positives et entrelacées les unes avec les autres pour former un énorme réseau conducteur à haute vitesse. Cela peut augmenter efficacement le taux de migration des ions et des électrons de lithium . efficacement
Dans le cas de batteries de charge et de décharge à faible taux, à mesure que la quantité d'ajout de graphène augmente, la capacité spécifique à décharge augmente d'abord, puis diminue . par rapport aux agents conducteurs commerciaux, l'ajout d'une petite quantité de graphène peut obtenir un bon effet conducteur et que les performances de la batterie sont également améliorées en conséquence . Cependant, lorsque la batterie subit une charge élevée et la décharge, la performance de la performance du graphène est-ce que la batterie est en inférieure de la charge élevée et de la décharge, la performance de la performance de la performance de Graphène est un conducteur de la batterie de la charge élevée et de la décharge, la performance de la performance de la performance de Graphène est un conducteur de la batterie de la charge élevée et de la décharge, la performance de la performance de la performance de Graphene agent conducteur conventionnel .
- Agent conducteur composite de graphène et de carbone noir en carbone
Lorsque le graphène et le noir de carbone sont combinés pour former un matériau d'agent conducteur composite, un grand nombre de feuilles de graphite bidimensionnel sont uniformément enroulées autour de la structure en noir en carbone en réseau d'origine ., les lacunes entre les feuilles sont remplies de noir de carbone, servant de structure du cadre .
Grâce à la conduction coopérative, la conduction bidimensionnelle d'origine aux points est transformée en conduction tridimensionnelle aux points . en même temps, le problème de l'empilement et de l'agrégation du graphène est résolu, et la stabilité structurelle et l'efficacité de la conduction sont améliorées ., et la stabilité structurelle et l'efficacité de la conduction sont améliorées .
- Graphène et nanotube de carbone additif conducteur
Lorsque des nanotubes de graphène / carbone sont ajoutés comme additifs conducteurs aux matériaux de batterie lithium-ion, les deux peuvent former un réseau de site conducteur tridimensionnel .
Les nanotubes de carbone traversent chaque couche de feuilles de graphène, transformant l'espace conducteur bidimensionnel d'origine en une structure de pontage en trois dimensions pour les canaux de transmission ., il fournit un chemin électronique plus rapide et plus lisse, améliorant considérablement l'efficacité de transmission de l'électrode positive de la batterie, le taux de transmission des ions lithum L'effet des nanotubes de carbone améliore efficacement la stabilité de la structure du graphène, empêchant l'agglomération et l'accumulation .
4.Modification de l'interface des batteries à semi-conducteurs
À l'heure actuelle, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche d'électrolytes solides à haute conductivité . Cependant, les propriétés de mouillage à l'interface solide-solide formée avec les électrodes sont médiocres, ce qui affecte négativement la résistance à l'interface, la compatibilité chimique et la stabilité de l'interface ., la compatibilité chimique et la stabilité de l'interface .,
Dans la région d'interface d'électrode négative, le cadre de graphène tridimensionnel, les plaques laminées et les sphères creux peuvent inhiber la formation de dendrites de lithium et l'expansion de volume de l'électrode pendant la charge . et
Dans la région d'interface d'électrode positive, le graphène est combiné avec le matériau de l'électrode et l'électrolyte pour améliorer le transfert de charge . en outre, le graphène agit comme une couche de tampon, améliorant la compatibilité de l'interface et améliorant ainsi les performances globales de la batterie . et ainsi améliorer les performances globales de la batterie . et ainsi améliorer les performances globales de la batterie . et ainsi améliorer les performances globales de la batterie . et ainsi améliorer
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