Graphene 기반 아연 이온 배터리의 최신 발전

시간:2024-03-20 클릭수:

graphene 기지를 둔 물자는 조정 가능한 층간 채널, 높은 특정 표면적 및 좋은 전도도 특성을 포함하여 특성의 독특한 범위를 가지고 있습니다, 재충전 가능한 배터리 전극의 준비를 위한 유망한 선택입니다.리튬 이온 배터리는 현재 상업용 충전식 배터리 시장을 지배하고 있지만 제한된 리튬 자원, 높은 리튬 비용 및 유기 전해질 안전 문제로 인해 추가 개발이 제한되어 있습니다.성능, 안전 및 비용 측면에서 아연 기반 충전식 배터리는 충전식 배터리에 대한 유망한 대안이되었습니다.


싱가포르의 난양기술대학(Nanyang Technology University)의 홍휘샹(Hong Huixiang) 교수는 중국 교수와 협력하여 그래핀 유도체와 그들의 복합재료를 기반으로 한 다양한 최신 발전과 개발, 그리고 충전식 배터리, 특히 리튬이온 배터리, 아연공기 배터리, 아연이온 배터리 및 요오드화된 아연 배터리에 있는 이러한 재료를 설계하는 과학적 원칙을 강조했다.이 기사는 또한 유기 폐기물을 사용하여 그래핀 기반 재료의 지속 가능한 생산, 추가 제조 기술을 사용하여 배터리 부품의 신속한 생산 및 양극 안전을 향상시키기위한 보호 층의 사용에 대한 전망을 요약합니다.연구 결과는 Small에 게재 된 "Recent Advancements of Graphene-Based Materials for Zinc-Based Batteries: Beyond Lithium-Ion Batteries"라는 제목으로 발표되었습니다.


그래핀을 사용하여


리튬 이온 배터리


리튬 이온 배터리 (LIB)의 주요 장애물은 상대적으로 낮은 특정 용량이며, 이는 장거리 전기 자동차 주행 및 빈번한 충전 전자 장치에서의 사용을 제한합니다.흑연과 같은 전통적인 전극 재료의 이론적 용량은 그램당 372mAh에 불과합니다.이 제한을 해결하기 위하여는, graphene 및 그것의 유도체는 그들의 우수한 전기 전도도 및 높은 특정 표면적 때문에 LIB를 위한 대체 전극 물자로 탐구되었습니다.이러한 그래핀 기지를 둔 물자는 그들의 층간 nanopore를 통해 Li+ 이온의 확산을 가속화하고 효과적으로 그들의 표면에 전하를 축적할 수 있습니다.따라서, 그들은 LIB의 특정 볼륨을 크게 증가시킵니다.


추가적으로, graphene 기지를 둔 물자를 가진 전이 금속 산화물/황화물 (TMO/TMS)의 복합은 특정 용량 및 확장 성능을 더 향상시키기 위하여 개발되었습니다.이러한 복합재료는 전기화학적으로 활성화된 부위를 더 많이 제공하고, 전자이동성을 향상시키며, Li+ 이온의 전송을 용이하게 한다.전반적으로, LIB에 graphene 기지를 둔 물자의 진보된 연구는 낮은 특정 용량 문제를 해결하고 전반적인 전기화학적 특성을 강화함으로써 배터리 성능을 향상시킵니다.


그래핀 기반의 복합재료를 이용하여


아연 이온 배터리 성능 향상


아연 이온 배터리 (ZIBs)는 아연의 풍부함과 경제성으로 인해 리튬 이온 배터리에 대한 유망한 대안으로 간주됩니다.그러나 ZIBs는 낮은 특정 용량과 열악한 사이클 수명과 같은 문제에 직면하고 있습니다.이러한 문제를 해결하기 위해, 연구원은 graphene 기지를 둔 물자를 탐구했습니다.예를 들어, 망간 산화물/그래핀 복합재료는 망간 2+ 이온의 용해를 완화함으로써 ZIBs의 특정 용량 및 순환 안정성을 향상시킵니다.바나듐 산화물/그래핀 복합재료는 전자 및 이온 전송을 개선함으로써 ZIBs의 속도 능력과 사이클 수명을 향상시킵니다.또한, 그래핀 및 폴리아닐린 (PANI)과 같은 재료의 복합 재료는 전기 전도도와 전하 전달을 증가시킴으로써 특정 용량을 증가시킵니다.이러한 그래핀 기지를 둔 발전은 ZIBs의 성능을 향상시키는 솔루션을 제공하여 에너지 저장 기술에 있는 경쟁력 있는 선택권을 만듭니다.


과학적인 원리: 우수한 전기 전도도와 높은 특정 표면적을 가진 graphene 기지를 둔 물자는, 이온의 더 빠른 확산과 효율적인 전하 축적을 촉진하고, 따라서 전통적인 전극 물자의 한계를 해결합니다.이러한 복합 재료의 나노 스케일 엔지니어링은 이온 전달, 전자 전달 역학 및 구조적 안정성을 최적화하여 궁극적으로 배터리 성능을 향상시킵니다.또한, 수소 결합 및 π-π 상호 작용을 통해 다른 재료와 상호 작용하는 능력과 같은 그래핀의 독특한 특성은 에너지 저장 장치의 성능을 향상시키는 데 도움이되는 향상된 특성을 가진 복합 재료의 생성을 가능하게합니다.


그래핀 기반의 기술 혁신


아연 공기 전지


Z아연 공기 배터리 (ZABs)는 리튬 이온 배터리 (LIB)보다 거의 5 배 높은 이론적 에너지 밀도를 갖춘 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.그러나, 그들은 산소 감소 및 산소 진화 반응 (ORR 및 OER)의 느린 역학과 백금 (Pt)과 같은 전통적인 전기 촉매의 불안정성을 포함하여 중요한 장애물에 직면합니다. graphene 기지를 둔 물자에 있는 최근 진보는 이러한 도전을 해결하기 위하여 해결책을 제공합니다.연구원은 코발트 (Co), 철 (Fe) 및 니켈 (Ni)과 같은 비귀금속을 graphene 유도체와 결합하여 비용 효율적인 이중 기능 전기 촉매를 개발했습니다.이러한 복합 재료는 향상된 안정성과 함께 우수한 ORR 및 OER 성능을 보여줍니다.예를 들어, 질소 도핑 환원 흑연 산화물 (rGO)에 앵커 된 코발트 기반 나노 입자는 높은 개방 전압 (OCV) 및 전력 밀도를 포함하여 인상적인 결과를 보여주었습니다.또한, 이질적인 원자 도핑 및 금속 유기 프레임 워크 (MOF) 합성과 같은 전략은 ZAB의 전기 화학적 특성을 더욱 향상시킵니다.이러한 혁신은 그래핀의 우수한 전기 전도도와 표면적을 활용하여 전통적인 ZAB의 한계를 해결하여 에너지 저장 기술에 있는 경쟁력 있는 선택권을 만듭니다.


그래핀 기반의 돌파구를 이용하여


아연 요오드 전지의 성능 향상


아연 요오드 배터리 (Zn-I2B)는 자연적인 풍부함과 높은 이론적 용량으로 인해 큰 잠재력을 가지고 있지만 원소 요오드 (I2)의 고유 전기 전도도가 낮고 방전 제품의 높은 용해도와 같은 도전에 직면하고 있습니다.이것을 극복하기 위하여는, 연구원은 graphene 폼 (GF)과 같은 탄소 기지를 둔 물자를 포함하여 다공성 매트릭스에 요오드를 집중시키는 데 집중했습니다.최근에, graphene 기지를 둔 물자에 있는 최신 진보는 Zn-I2B의 성능을 향상시키기 위하여 이용되었습니다.예를 들어, 질소 및 황 공동 도핑 그래핀 폼 (NSGF) 및 3D 그래핀 같은 탄소 (I2/3DGC) 매트릭스는 요오드를 안정화하고 전기 전도도를 향상시키기위한 다공성 구조를 제공함으로써 향상된 전기 화학적 특성을 보여줍니다.이러한 그래핀 기반 혁신은 Zn-I2B의 한계를 해결하여 효율성과 순환 안정성을 향상시켜 유망한 에너지 저장 기술로 만듭니다.


전망 - 그래핀 기반 재료의 발전


강화된 에너지 저장


이 검토는 리튬 이온 배터리 (LIB) 및 산화아연 배터리 (ZBB)의 에너지 저장 성능을 향상시키는 graphene 기지를 둔 물자 (GBMs)의 최근 발전을 강조합니다.그래핀과 그것의 유도체는 에너지 저장에 있는 중요한 역할을 하고, 전도성 프레임과 저장 매체를 모두 제공합니다.그들의 낮은 특정 볼륨을 극복하기 위하여는, 연구원은 graphene 유도체를 위한 협력적인 파트너로 전이 금속 산화물 (TMO) 및 황화물 (TMS)에 특별한 초점을 맞춘 다른 graphene 복합 물자를 탐구했습니다.이러한 조합은 LIB의 특정 용량을 크게 증가시키고 가난한 전기 전도도의 도전을 해결합니다.한편, ZBB는 비용 효율적이고 안전하기 때문에 많은 관심을 끌었습니다. graphene 유도체와 망간 및 바나듐 산화물에 TMO와 TMS의 통합을 포함하는 전략은 ZBB의 특정 용량 및 사이클 수명을 증가시켰습니다.또한, ZBB에서 비싼 귀금속을 비귀금속 기반 GBMs로 대체하려는 노력은 잠재력을 보여주었습니다.과제에는 GBM 재료에 대한 지속 가능한 접근, 새로운 ZBB를위한 신속한 프로토 타이핑 및 ZBB 아연 전극을위한 보호 층 개발이 포함됩니다.전반적으로, 검토는 GBMs가 LIB 및 ZBB의 전기화학적 성능을 향상시키는 데 더 혁신적일 것으로 예상하며, 지속가능성, 컴퓨팅 설계 및 보호 계층이 초점 영역이 될 것입니다.

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