Не пропустите следующий этап эволюции нано. Данное руководство охватывает четыре хорошо зарекомендовавших себя схемы графеновых электродов из экспериментов из инновационных научных исследований, в том числе один для графено-литиево-серной батареи, нынешней технологии переднего бегуна и приводится для справки.

Молекулярная структура графенового листа. Батареи на основе графена активно изучаются для различных коммерческих применений. Повышенная производительность и жизненный цикл при разработке аккумуляторов на основе графена по сравнению с обычными металлическими ионными батареями хорошо стоят инвестиций в ресурсы.

Ожидается, что настоящие прорывы из графеновой батареи будут получены из гибридных химикатов графена и лития, включенных в катоды литий-серосодержащих элементов. Эта технология потребует много лет для коммерциализации и проведения интенсивных исследований.

Традиционная технология батареи

Вид в поперечном разрезе традиционной батареи. Литий - это обычный материал, используемый как в перезаряжаемых, так и в неперезаряжаемых батареях. Несмотря на наличие щелочных и цинковых батарей, они, как правило, имеют более короткий срок службы из-за их высокой плотности заряда. В отличие от батареек на основе лития, эти батареи не могут работать при более высоких напряжениях.

Первичная батарея состоит из двух электродов, позволяющих протекать только в одном направлении через посреднический электролит. Вторичные батареи по-прежнему содержат два электрода, но ионы лития могут течь в обоих направлениях в зависимости от того, заряжается или разряжается.

Анод обычно представляет собой соединение на основе лития, а катод представляет собой пористый углерод. Как анод, так и катод имеют жесткую структуру с определенными отверстиями, что позволяет поглощать ионы лития в отверстиях при приложении тока. Ионы десорбируются в раствор электролита при отсутствии тока.

Поглощение ионов лития может происходить как на катоде, так и на аноде. Ионы движутся к катоду при использовании батареи. Во время зарядки ток инвертируется, и ионы поглощаются в аноде. Этот процесс позволяет производить много циклов, что приводит к увеличению срока службы. Материал для катодов традиционно является графитом, но он может изменяться для анодов.

Основное различие между батареями на основе графена и твердотельными батареями заключается в составе одного или обоих электродов. Изменение в основном заключается в катоде, но также возможно использовать аллотропы углерода в аноде. Катод в обычной батарее состоит исключительно из твердых материалов, но композитный - гибридный материал, содержащий твердотельный металлический материал и используемый в качестве катода в графеновой батарее.

В зависимости от предполагаемого применения количество графена в композите может отличаться. Реальными прорывами из графеновой батареи являются внедрение гибридных химикатов графена и лития в катоды литий-серосодержащих элементов, как описано в этом руководстве. Чистые графеновые электроды не используются в графеновой батарее, и многие электроды на основе графена изготавливаются и работают аналогично обычным батареям.

Их производительность улучшается за счет добавления графена в состав электрода. Неорганические электроды обычно имеют ограничения по плотности, проводимости, площади поверхности, емкости, емкости или времени цикла, чтобы назвать несколько. Графен - это универсальная молекула, обладающая множеством уникальных и желательных свойств, и ее можно применять разными способами, поскольку для использования графена не существует решения «один размер подходит всем».

В качестве материала подложки графен помогает поддерживать ионы металлов в обычном порядке, что помогает с эффективностью электродов. В качестве композитного материала на электроде графен обычно участвует в упрощении самого заряда, где его высокая проводимость и хорошо упорядоченная структура являются важными атрибутами для улучшения его предшественников, не являющихся графенами. Роль графена в обеспечении определенных приложений для батарей обсуждается в следующих разделах.

Батареи на основе графена быстро становятся более благоприятными по сравнению с их предшественниками графита. Они представляют собой новую технологию, позволяющую ускорить время цикла и увеличить плотность электродов. Они также имеют возможность удерживать заряд дольше, улучшая срок службы батареи.

Графитовые батареи являются проверенной технологией и доступны во многих формах. Подобно графиту, теперь доступны различные типы функциональных электродов производных графена, и исследователи обнаруживают много преимуществ по сравнению с чистыми графитовыми электродами.

Исторически графит использовался в качестве материала первичного катода, где ионы лития перемещаются в структурированные дыры. Однако графен не обладает этой способностью, но он может хранить ионы лития через поверхностную адсорбцию и индуцированную склеивание из-за большой площади поверхности.

Индуцированное связывание обычно происходит в присутствии графенового производного, а ионы лития присоединяются к функционализированной поверхности. Помимо обладания большой площадью поверхности, еще одна ключевая характеристика графеновых электродов - высокая проводимость. Многие оксиды металлов, традиционно используемые в батареях, имеют недостатки, такие как низкая объемная плотность энергии, низкая проводимость и потеря точек контакта.

Гибридизация матрицы оксида металла с графеном может устранить большинство из этих проблем, и проводимость станет больше благодаря значительному улучшению взаимодействия между междоузельными ионами и гибридной матрицей. Для получения гибридов наночастиц оксида граната и граната графен служит в качестве шаблона во время процесса, создавая равномерно распределенную матрицу из-за регулярной повторяющейся структуры графена.

Этот процесс также ограничивает агрегацию наночастиц, способствуя большой площади поверхности наночастиц во время циклов заряда и разряда лития. Электроды, состоящие из 6-15 монослоев графена с каждым слоем друг над другом, имеют удельную емкость 540 мАч г -1, что значительно выше по сравнению с их графитовыми аналогами из-за их большей площади поверхности.

Диспергирование графеновых листов с использованием фуллеренов или увеличение межграфенового интервала. Этот дополнительный интервал образует дополнительные полости для ионов лития, которые занимают, увеличивая удельную емкость до 40% по сравнению со штабелированными графеновыми электродами.

Гипсокартон

Графен-литиево-серная батарея. Таким образом, они приобрели большой интерес, но имеют несколько существенных недостатков, которые мешают им выйти на коммерческий рынок. Первое - это неорганическое осаждение соли на катоде из-за присутствия в клетке высокорастворимых реагентов.

Солевое осаждение вызывает потерю активного материала, низкое использование серного катода, низкую кулоновскую эффективность и ухудшение жизненного цикла. Вторым главным недостатком является низкая проводимость серы. Высокая площадь поверхности обеспечивает хорошую дисперсию серы, которая контролирует мобилизацию ионов серы и исключает накопление ионов серы на катоде. Синтез с одним горшком также может быть использован для получения частиц серной кислоты, нанесенных на графен.

Производительность литиево-серных батарей в значительной степени зависит от концентрации серы в электроде. Из электродов, изготовленных до настоящего времени, электроды, содержащие более высокое содержание серы, обеспечивают наилучшую производительность.

Они также стабильны при высокой скорости движения. Некоторая деградация клетки происходит из-за того, что связывание серы еще не достигло 100% -ной эффективности, но сереновые электроды, поддерживаемые графеном, по-прежнему демонстрируют значительное улучшение по сравнению с серными электродами на основе неграфе. Конструкция суперконденсатора графена.

В области электроники суперконденсаторы представляют собой полезное устройство, способное хранить в более чем сотни раз больше энергии, чем стандартные конденсаторы. Они также могут работать в условиях низкой температуры и регулярно используются в качестве замены электрохимических батарей.

Способность производить двойные электрические слои является одним из ключевых свойств сверхскользящего материала и имеет важное значение в суперконденсаторах с двумя конденсаторами двухслойных конденсаторов. Суперконденсаторы сохраняют энергию за счет наращивания зарядов на интерфейсе электрода-электролита через поляризацию.

Активированный уголь традиционно использовался в качестве материала электрода, но его неспособность работать при высоких напряжениях является его главным недостатком. Графен и его производные полезны из-за их структуры с открытыми порами, высокой проводимости, высокой удельной площади поверхности, производственного потенциала и низкой стоимости; Все из которых являются желательными атрибутами для суперконденсатора.

Композитные электроды из оксида графена

Электроды оксида молибдена оксида графена. В дополнение к эффективной интеркаляции ионов графеновые листы обеспечивают проводящую сеть с большой площадью поверхности, что дополнительно способствует ионно-электродным взаимодействиям. Как уже упоминалось ранее, суперконденсаторы в настоящее время предпочитают электрохимические батареи для определенных применений. Однако более низкая плотность энергии является проблемой с использованием суперконденсаторов.

Включение графена в отрицательные электроды суперконденсаторов увеличивает плотность энергии, сохраняя высокую плотность мощности. Суперконденсаторы были изготовлены с использованием нановолоконного графенового композита в качестве положительного электрода и графена в качестве отрицательного электрода.

Графен-полимерные композитные электроды

Суперконденсаторы графена превосходят другие конденсаторы с точки зрения плотности мощности и энергии, что делает их перспективными в Поле суперконденсаторов. Композитный электрод графенового полимера. Оксид графена и азотсодержащий полимер идеально подходят для изготовления композита из графенополимерного электрода.