Nenechajte si ujsť ďalší vývoj nano. Táto príručka zahŕňa štyri osvedčené návrhy grafénových elektród z experimentov z inovatívnych vedecký výskum, vrátane jedného pre grafénovú lítium-sírovú batériu, súčasnú technológiu predného vodiča a slúži ako referencia.

Molekulárna štruktúra grafénového listu. Batérie na báze grafénu sa aktívne skúmajú pre rôzne komerčné aplikácie. Zvýšený výkon a životný cyklus vývoja batérií na báze grafénu v porovnaní s konvenčnými kov-iónovými batériami sa oplatí investovať do zdrojov.

Očakáva sa, že skutočné objavy z grafénovej batérie budú pochádzať z hybridných chemikálií grafén-lítium zabudovaných do katód článkov obsahujúcich lítium-síru. Táto technológia si bude vyžadovať mnoho rokov komercializácie a intenzívneho výskumu.

Tradičná technológia batérií

Pohľad v reze na tradičnú batériu. Lítium je bežný materiál používaný v nabíjateľných aj nenabíjateľných batériách. Aj keď sú dostupné alkalické a zinkové batérie, majú tendenciu mať kratšiu životnosť kvôli vysokej hustote nabitia. Na rozdiel od lítiových batérií tieto batérie nemôžu fungovať pri nadmernom zaťažení vysoké napätia.

Primárna batéria pozostáva z dvoch elektród, ktoré umožňujú iba jeden smer prúdenia cez medziľahlý elektrolyt. Sekundárne batérie stále obsahujú dve elektródy, ale lítiové ióny môžu prúdiť oboma smermi v závislosti od toho, či sa nabíjajú alebo vybíjajú.

Anóda je zvyčajne zlúčenina na báze lítia a katóda je porézny uhlík. Anóda aj katóda majú pevnú štruktúru s definovanými otvormi, čo umožňuje absorpciu lítiových iónov v otvoroch pri privedení prúdu. Ióny sa desorbujú do roztoku elektrolytu v neprítomnosti prúdu.

Absorpcia lítiových iónov môže prebiehať na katóde aj na anóde. Pri používaní batérie sa ióny pohybujú smerom ku katóde. Počas nabíjania je prúd obrátený a ióny sú absorbované v anóde. Tento proces umožňuje mnoho cyklov, čo vedie k dlhšej životnosti. Materiálom pre katódy bol tradične grafit, ale pre anódy sa to môže líšiť.

Hlavným rozdielom medzi batériami na báze grafénu a polovodičovými batériami je zloženie jednej alebo oboch elektród. Zmena je hlavne v katóde, ale je možné použiť aj alotropy uhlíka v anóde. Katóda v konvenčnej batérii pozostáva výlučne z pevných materiálov, ale kompozitná je hybridný materiál obsahujúci pevnú látku kovový materiál a používa sa ako katóda v grafénovej batérii.

V závislosti od zamýšľanej aplikácie sa množstvo grafénu v kompozite môže líšiť. Skutočným prelomom grafénovej batérie je začlenenie hybridných chemických látok grafénu a lítia do katód lítium-sírových článkov, ako je opísané v tejto príručke. V grafénovej batérii sa nepoužívajú čisté grafénové elektródy a mnohé elektródy na báze grafénu sa vyrábajú a fungujú podobne ako bežné batérie.

Ich výkon sa zlepšuje pridaním grafénu do zloženia elektródy. Anorganické elektródy majú zvyčajne obmedzenia, pokiaľ ide o hustotu, vodivosť, povrchovú plochu, kapacitu, kapacitu alebo čas cyklu, aby sme vymenovali aspoň niektoré. Grafén je všestranná molekula s mnohými jedinečnými a žiaducimi vlastnosťami a možno ju aplikovať rôzne cesty pretože neexistuje univerzálne riešenie na použitie grafénu.

Ako podkladový materiál pomáha grafén udržiavať kovové ióny v poriadku, čo pomáha s účinnosťou elektród. Ako kompozitný materiál na elektróde sa grafén zvyčajne podieľa na zjednodušení samotného náboja, kde jeho vysoká vodivosť a dobre usporiadaná štruktúra sú dôležitými atribútmi na zlepšenie jeho negrafénových prekurzorov. Úloha grafénu pri umožňovaní určitých aplikácií batérií je diskutovaná v nasledujúcich častiach.

Batérie na báze grafénu sa rýchlo stávajú priaznivejšími v porovnaní s ich grafitovými predchodcami. Predstavujú Nová technológia na urýchlenie doby cyklu a zvýšenie hustoty elektród. Majú tiež schopnosť udržať nabitie dlhšie, čím zlepšujú životnosť batérie.

Grafitové batérie sú osvedčenou technológiou a sú dostupné v mnohých formách. Ako grafit, teraz k dispozícii odlišné typy funkčné elektródy odvodené od grafénu a výskumníci nachádzajú mnoho výhod oproti čistým grafitovým elektródam.

Historicky sa grafit používal ako primárny katódový materiál, kde sa lítiové ióny presúvajú do štruktúrovaných otvorov. Grafén však túto schopnosť nemá, ale vďaka svojej veľkej ploche dokáže ukladať ióny lítia prostredníctvom povrchovej adsorpcie a indukovanej väzby.

Indukovaná väzba sa zvyčajne vyskytuje v prítomnosti derivátu grafénu a lítiové ióny sú pripojené k funkcionalizovanému povrchu. Okrem toho, že má veľkú plochu, ďalší kľúčová charakteristika grafénové elektródy - vysoká vodivosť. Mnohé oxidy kovov tradične používané v batériách majú nevýhody, ako je nízka objemová hustota energie, nízka vodivosť a strata kontaktných bodov.

Hybridizácia matrice oxidu kovu s grafénom môže eliminovať väčšinu týchto problémov a vodivosť sa zväčší v dôsledku výrazného zlepšenia interakcie medzi intersticiálnymi iónmi a hybridnou matricou. Na výrobu hybridov oxidu granátu a nanočastíc granátu slúži grafén počas procesu ako šablóna, ktorá vytvára rovnomerne rozloženú matricu vďaka pravidelnej opakujúcej sa štruktúre grafénu.

Tento proces tiež obmedzuje agregáciu nanočastíc, čo prispieva k veľkej ploche nanočastíc počas cyklov nabíjania a vybíjania lítia. Elektródy, pozostávajúce zo 6-15 monovrstiev grafénu s každou vrstvou na sebe, majú špecifickú kapacitu 540 mAh g -1, ktorá je výrazne vyššia v porovnaní s ich grafitovými náprotivkami kvôli ich väčšia plocha povrchy.

Disperzia grafénových plátov pomocou fullerénov alebo zvýšenie intergrafénového intervalu. Táto dodatočná vzdialenosť vytvára ďalšie dutiny, ktoré môžu obsadiť lítiové ióny, čím sa zvyšuje špecifická kapacita až o 40% v porovnaní s naskladanými grafénovými elektródami.

Sadrokartónové dosky

Grafén-lítium-sírová batéria. Získali si teda veľký záujem, no majú niekoľko významných nedostatkov, ktoré im bránia vstúpiť na komerčný trh. Prvým je anorganické usadzovanie soli na katóde v dôsledku prítomnosti vysoko rozpustných činidiel v článku.

Ukladanie solí spôsobuje stratu aktívneho materiálu, nízke využitie sírovej katódy, nízku Coulombovu účinnosť a degradáciu životný cyklus. Druhou hlavnou nevýhodou je nízka vodivosť síry. Veľký povrch poskytuje dobrú disperziu síry, ktorá riadi mobilizáciu iónov síry a eliminuje hromadenie iónov síry na katóde. Syntéza v jednej nádobe sa môže použiť aj na výrobu častíc kyseliny sírovej na graféne.

Výkon lítium-sírových batérií je vysoko závislý od koncentrácie síry v elektróde. Z doteraz vyrobených elektród poskytujú najlepší výkon tie, ktoré obsahujú vyšší obsah síry.

Sú stabilné aj pri vysokých rýchlostiach. Dochádza k určitej degradácii buniek, pretože väzba síry ešte nedosiahla 100% účinnosť, ale serínové elektródy podporované grafénom stále vykazujú výrazné zlepšenie v porovnaní so sírovými elektródami, ktoré nie sú založené na graféne. Dizajn grafénového superkondenzátora.

V oblasti elektroniky sú superkondenzátory užitočným zariadením, ktoré je schopné uložiť viac ako stokrát viac energie ako štandardné kondenzátory. Môžu pracovať aj pri nízkych teplotách a pravidelne sa používajú ako náhrada elektrochemických batérií.

Schopnosť vytvárať elektrické dvojité vrstvy je jednou z kľúčových vlastností superšmykového materiálu a má dôležitosti v superkondenzátoroch s dvoma dvojvrstvovými kondenzátormi. Superkondenzátory uchovávajú energiu vytváraním nábojov na rozhraní elektróda-elektrolyt prostredníctvom polarizácie.

Ako materiál elektród sa tradične používa aktívne uhlie, ale jeho hlavnou nevýhodou je neschopnosť pracovať pri vysokých napätiach. Grafén a jeho deriváty sú užitočné vďaka svojej štruktúre otvorených pórov, vysokej vodivosti, vysokému špecifickému povrchu, výrobnému potenciálu a nízkym nákladom; To všetko sú žiaduce atribúty pre superkondenzátor.

Grafénoxidové kompozitné elektródy

Elektródy z oxidu grafénu a molybdénu. Okrem efektívnej interkalácie iónov poskytujú grafénové listy vodivú sieť s veľkým povrchom, čo ďalej uľahčuje interakcie ión-elektróda. Ako už bolo spomenuté, superkondenzátory sú v súčasnosti pre určité aplikácie uprednostňované pred elektrochemickými batériami. Problémom pri použití superkondenzátorov je však nižšia hustota energie.

Začlenenie grafénu do záporných elektród superkondenzátorov zvyšuje hustotu energie pri zachovaní vysokej hustoty výkonu. Superkondenzátory boli vyrobené s použitím nanovlákenného grafénového kompozitu ako kladnej elektródy a grafénu ako zápornej elektródy.

Grafén-polymérové ​​kompozitné elektródy

Grafénové superkondenzátory sú lepšie ako ostatné kondenzátory z hľadiska hustoty výkonu a energie, vďaka čomu sú sľubné v oblasti superkondenzátorov. Kompozitná grafénová polymérová elektróda. Oxid grafénu a polymér obsahujúci dusík sú ideálne na výrobu kompozitu elektródy z grafénu a polyméru.