ग्राफीन बैटरियों: एक मिथक या एक बुलबुला?

लिथियम-आयन बैटरी का सामना करने वाली चुनौतियाँ

लिथियम आयन बैटरी के आगमन के बाद से पिछले दो दशकों में, हमारी दुनिया और जीवन ने पृथ्वी को हिलाकर रख दिया है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसे ऊर्जा भंडारण उपकरणों की उच्च विशिष्ट ऊर्जा और उच्च शक्ति की काम करने की आवश्यकताओं ने मौजूदा लिथियम-आयन जीजी उद्धरण को बल दिया है; इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उन्नयन के कारण बैटरी प्रौद्योगिकी का नवाचार बहुत पीछे चला गया है और उपयोगकर्ता अनुभव पर एक बाधा बन गया है। सबसे बड़ी अड़चन।

पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी रासायनिक ऊर्जा और विद्युत ऊर्जा के रूपांतरण को प्राप्त करने के लिए सकारात्मक और नकारात्मक सामग्री के बीच सक्रिय लिथियम आयनों के शटल पर आधारित हैं। हालाँकि, यह वास्तव में सम्मिलन और निष्कर्षण का यह विद्युत रासायनिक तंत्र है जो लिथियम-आयन बैटरी की क्षमता और ऊर्जा घनत्व को तेजी से बढ़ाता है, जो अनुप्रयोग परिदृश्यों की जरूरतों को पूरा करने में असमर्थ है। नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के संदर्भ में, ग्रेफाइट द्वारा प्रस्तुत वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री काम करने के लिए ग्रेफाइट परतों के बीच निर्बाध रूप से लिथियम आयन का उपयोग करते हैं। हालांकि, ग्रेफाइट में लिथियम की साइटें और ग्रेफाइट की इंटरलेयर रिक्ति बहुत सीमित हैं, जो लिथियम आयन बैटरी को अपर्याप्त क्षमता और कम विशिष्ट ऊर्जा की दुविधा का सामना करने के लिए मजबूर करती है।

ग्राफीन बैटरी: निकला

ऐसे समय में जब लोग नुकसान में हैं, एक नए प्रकार का स्टार कार्बन सामग्री-ग्राफीन बाहर आ गया है! ग्राफीन को सिंगल-लेयर ग्रेफाइट के रूप में माना जा सकता है, जिसमें प्रचुर मात्रा में लिथियम इंटरकलेशन साइट हैं, और इसमें अल्ट्रा-हाई इलेक्ट्रॉनिक चालकता और एक विशाल विशिष्ट सतह क्षेत्र है। इस तरह, क्या ग्रेफाइट ऊर्जा भंडारण उद्योग में क्रांति लाने के लिए ग्रेफाइट की जगह ले सकता है? उच्च क्षमता, उच्च ऊर्जा घनत्व, और फास्ट चार्जिंग के साथ,&#" पीच ब्लॉसम स्प्रिंग्स जीजी quot; कि लोग सीधे वास्तविकता का पीछा कर रहे हैं? ! विभिन्न मीडिया ने भी ग्राफीन बैटरी के फायदों के बारे में रिपोर्ट करना शुरू कर दिया है और इसी तरह का प्रचार कर रहे हैं। एक समय के लिए, ग्राफीन बैटरी से संबंधित अवधारणा स्टॉक लोकप्रिय हो गए हैं। लगता है पूरी बैटरी इंडस्ट्री पिट गई है। हर कोई ग्राफीन बैटरी का इंतजार कर रहा है। समय का आगमन।

हालाँकि, क्या वाकई ऐसा है? निम्नलिखित सामग्री मुख्य रूप से हर किसी के लिए रहस्यमय ग्राफीन बैटरी के घूंघट को उजागर करने के लिए एक वैज्ञानिक दृष्टिकोण से है (नोट: ग्राफीन बैटरी अभी तक एक स्पष्ट अवधारणा नहीं है, ग्राफीन की भूमिका के अनुसार मोटे तौर पर एक प्रवाहकीय निष्क्रिय के रूप में ग्राफीन में विभाजित किया जा सकता है और ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में दो प्रकार के होते हैं। यह लेख बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में ग्राफीन पर चर्चा करता है)।

मूल

2014 में, साइंटिफिक रिपोर्ट ने ऑल-ग्राफीन लिथियम बैटरी पर एक काम की सूचना दी। इस ऑल-ग्राफीन बैटरी में, धनात्मक इलेक्ट्रोड सतह-क्रियात्मक ग्राफीन सामग्री है, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड ग्राफीन ऑक्साइड कम हो जाता है। पूरी बैटरी सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह प्रतिक्रिया का उपयोग करती है, इसलिए यह सुपर-उच्च दर चार्ज और निर्वहन प्राप्त कर सकती है। समग्र इलेक्ट्रोड द्रव्यमान पर आधारित शक्ति घनत्व 2150W / किग्रा तक पहुंच सकता है।

पावर घनत्व के दृष्टिकोण से, बैटरी वास्तव में आशाजनक है, लेकिन जब हम ऊर्जा घनत्व को फिर से देखते हैं, तो हम पा सकते हैं कि दो इलेक्ट्रोड के द्रव्यमान के आधार पर गणना की गई ऊर्जा घनत्व केवल 130Wh / kg है, जो सिर्फ सक्षम है सिस्टम मास गणना के आधार पर मौजूदा लिथियम-आयन बैटरी तक पहुंचने के लिए (हाल ही में लोकप्रिय BYD ब्लेड बैटरी की सिस्टम ऊर्जा घनत्व 140Wh / kg;" चीन में निर्मित 2025" स्पष्ट रूप से प्रस्ताव है कि एकल ऊर्जा घनत्व वाहन -माउंटेड पावर बैटरी 2020 तक 300Wh / kg तक पहुंचनी चाहिए)। यदि इसे एक बैटरी सिस्टम में एकीकृत किया जाता है, तो इसके बड़े पैमाने पर ऊर्जा घनत्व में एक और पांच से साठ प्रतिशत की छूट होगी। इसके अलावा, इस ऑल-ग्राफीन बैटरी की सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री में लिथियम नहीं होता है, इसलिए एक पूर्ण बैटरी में मिलान करने से पहले अर्ध-सेल में इलेक्ट्रोकेमिकल प्री-लेथिनेशन किया जाना चाहिए। इसे इस तरह से देखते हुए, उच्च शक्ति वाले परिदृश्यों में ग्राफीन बैटरी सबसे पहले विकसित हो सकती है, लेकिन उनका ऊर्जा घनत्व अभी भी जीजी की अपेक्षाओं से बहुत दूर है।

तो सिद्धांत रूप में, क्या ग्रेफाइट को बैटरियों के लिए नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है? क्या लिथियम सम्मिलन का तंत्र ग्रेफाइट के समान है? इसकी सैद्धांतिक लिथियम भंडारण क्षमता क्या है? कई शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि क्योंकि ग्राफीन में दो पक्ष होते हैं जो लिथियम परमाणुओं को सोख सकते हैं, यह Li2C6 के दोहरे लिथियम चरण का निर्माण कर सकता है और इसमें 744 mAh / g की दोहरी विशिष्ट क्षमता होती है। इन मुद्दों पर कई शोध हुए हैं। कुछ शोधकर्ताओं ने डीएफटी गणना का उपयोग यह जानने के लिए किया है कि लिथियम परमाणुओं को ग्राफीन की सतह पर सीधे adsorbed नहीं किया जा सकता है। वे केवल ग्राफीन परतों के बीच या ग्राफीन के बीच में और किनारों या उच्च-क्रम दोषों के माध्यम से सब्सट्रेट कर सकते हैं। तो इस मामले में, क्या यह निर्जलीकरण या सोखना है, और कितने ली परमाणु संग्रहीत किए जा सकते हैं?

Shattered

इस समस्या के जवाब में, टियांजिन विश्वविद्यालय के एसोसिएट प्रोफेसर जी केमेंग ने 2019 में नेचर कम्युनिकेशंस में डबल-लेयर ग्राफीन के लिथियम इंटरक्लेरेशन तंत्र पर अपने शोध की रिपोर्ट दी। उन्होंने डबल-लेयर तैयार करने के लिए उच्च तापमान वाले स्विचिंग रासायनिक वाष्प जमाव विधि का इस्तेमाल किया। एक उच्च विशिष्ट सतह के साथ सामग्री। इस सामग्री को सब्सट्रेट से जुड़ी होने की आवश्यकता नहीं है और इसमें कुछ दोष हैं, इसलिए लिथियम आयनों के सोखने या विघटन पर सब्सट्रेट और दोषों के प्रभाव को समाप्त किया जा सकता है, जो लिथियम के निर्बाधकरण के तंत्र के अध्ययन के लिए फायदेमंद है ग्रेफीन ही। लगातार वर्तमान चार्ज-डिस्चार्ज परीक्षण और चक्रीय वोल्टामेट्री घटता दिखाते हैं कि डबल-लेयर ग्राफीन में पारंपरिक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के रूप में एक ही विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया होती है, और लिथियम आयन दो ग्रेफाइट शीट्स के बीच निर्बाध होते हैं। ग्राफीन लेयर रिक्ति लिथियम स्टोरेज के लिए एकमात्र स्थान है, और लिथियम को अवशोषित और संग्रहीत करने का विचार आत्म-पराजय है! एक उल्लेखनीय घटना भी है। डबल-लेयर ग्राफीन की अधिकतम क्षमता 0.2-50 ए / जी की वर्तमान घनत्व सीमा में केवल 180 एमएएच / जी है। बाद के चरण के लक्षण वर्णन से पता चलता है कि लिथियम स्टोरेज चरण की स्टोइकोमेट्रिक संरचना LiC12 है और गैर-ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का LiC6 तथाकथित दोहरे लिथियम भंडारण Li2C6 चरण नहीं है।

इस शोध के परिणाम से पता चलता है कि Daumas-Hérold&का डोमेन मॉडल, Rüdorff&के मॉडल की तुलना में ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के लिथियम भंडारण व्यवहार का वर्णन करने के लिए अधिक उपयुक्त है, और इसने लिथियम भंडारण तंत्र पर आधी सदी की बहस को समाप्त कर दिया है; ग्रेफाइट। एक ही समय में, ग्राफीन की सैद्धांतिक लिथियम भंडारण क्षमता अंत में पुष्टि की गई है, और 180mAh / जी की सैद्धांतिक क्षमता ग्रेफाइट एनोड की विद्युत रासायनिक भंडारण क्षमता से बहुत कम है। ग्रेफीन बैटरी का बुलबुला अपने आप फट जाता है!

पता लगाने की क्षमता

तो, कई दस्तावेजों में ग्राफीन की उच्च क्षमता की रिपोर्ट कहां से आती है? हम जानते हैं कि आमतौर पर लोग जो ग्रेफीन सामग्री बनाते हैं, वह ऊपर की तरह अपेक्षाकृत शुद्ध ग्राफीन नहीं होती है। कई ग्रेफिन हम प्राप्त कर सकते हैं दोषों में समृद्ध (कार्बन सामग्री के आंतरिक रिक्ति दोष और विशेष रूप से शुरू किए गए हेटेरोटॉम साइटों के कारण दोष सहित), और सतह विभिन्न प्रकार के कार्यात्मक समूहों (जैसे कार्बोक्सिल, हाइड्रॉक्सिल) से समृद्ध है इन समूहों को रासायनिक रूप से लिथियम के साथ बातचीत करना आसान है, जैसे कि एपॉक्सी समूह)। इन कारकों के सुपरपोजिशन और ग्रेफीन के विशाल विशिष्ट सतह क्षेत्र में लिथियम की एक बड़ी मात्रा का कारण होगा, जो कि निर्जलीकरण के रूप में विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेता है, लेकिन सोखना के रूप में छद्मकोशिका में योगदान देता है। ये स्यूडोकोपसिटेंस प्रभाव यह प्रकट करते हैं कि ग्राफीन की क्षमता बहुत अधिक है और विद्युत रासायनिक कैनेटीक्स तेज है, लेकिन पूर्ण बैटरी के ऊर्जा घनत्व में वृद्धि पर इसका बहुत कम प्रभाव पड़ता है। इसके अलावा, प्रचुर मात्रा में प्रतिक्रिया साइटें और उच्च दोष सामग्री भी सीमित सक्रिय लिथियम को लगातार खपत करने का कारण बनेगी, जिसके परिणामस्वरूप कूपॉम्बिक दक्षता में कमी होगी, जो पूरी बैटरी की क्षमता स्थिरता के लिए घातक है।

भविष्य

उपरोक्त विश्लेषण के बाद, बैटरी के लिए एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में ग्राफीन निराशाजनक है यदि यह हजारों घरों में प्रवेश करना चाहता है। हालांकि, इसका मतलब यह नहीं है कि ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में ग्राफीन बेकार है। लिथियम भंडारण प्रदर्शन के अलावा, ग्राफीन में भी अति-उच्च विद्युत चालकता और उत्कृष्ट तापीय चालकता है। बिजली और गर्मी के दो कारक वास्तविक बैटरी में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। विशेष रूप से गर्मी, थर्मल भगोड़ा से प्रेरित बैटरी सुरक्षा दुर्घटनाएं उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक प्रदर्शन के साथ कई इलेक्ट्रोड सामग्रियों को भी वीटो कर सकती हैं। यदि विद्युत और तापीय चालकता दोनों के फायदे बैटरी पर लागू होते हैं, तो" ग्रेफीन बैटरी" चमक भी सकती है।

बेशक, एक प्रकार की जादुई सामग्री के रूप में, ग्राफीन को नहीं पता है कि क्या यह अन्य तरीकों से बैटरी में एक नई क्रांति लाएगा? अज्ञात स्रोतों से हालिया मीडिया रिपोर्टों की तरह, मर्सिडीज-बेंज एक ग्राफीन आधारित जैविक बैटरी विकसित कर रहा है। विशिष्ट तकनीक का अभी तक खुलासा नहीं किया गया है। वैसे भी, यह कम से कम 10 साल बाद होगा। चाहे वह नई क्रांति हो या नया बुलबुला, हम इंतजार करेंगे और देखेंगे!

संक्षेप में, ऊर्जा भंडारण का क्षेत्र, जिसका उद्देश्य व्यावहारिकता है, जीजी उद्धरण नहीं है; सैद्धांतिक रूप से व्यवहार्य ग्राफीन नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए बहुत कठोर परिस्थितियों (सही ग्राफीन) की आवश्यकता होती है। वास्तविक उत्पादन में, उच्च लागत मूल्य का भुगतान करना आवश्यक है, जो ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने और उत्पादन लागत को कम करने के मूल इरादे के विपरीत है। क्या जीजी की अधिक, सैद्धांतिक व्यवहार्यता अंत में संभव नहीं साबित हुई है। अगली बार जीजी उद्धरण के बारे में मीडिया प्रचार होगा; ग्राफीन बैटरी जीजी उद्धरण ;, आपको स्पष्ट रूप से देखने के लिए अपनी आँखें खुली रखनी होंगी