登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
石墨烯由于具有二维平面几何特征和独特的电子行为被广泛用于电化学储能研究领域,改善诸如超级电容器、锂离子电池的输出性能和提高氧还原过程(ORR)电催化活性。目前文献中大量实验结果报道也证实了石墨烯对不同储能领域场合的作用。同时,研究者们也进行了大量的理论计算,从原子和电子的层次对石墨烯的作用机制进行解释。小编将带领大家一起,了解目前石墨烯在电化学过程中的理论计算结果,以超级电容器、锂离子电池和ORR过程为典型代表,学习重要结论,加深对石墨烯功能的理解,也为新型石墨烯基电化学储能器件提供研究思路。
石墨烯电化学储能的基本理论
从电化学角度来讲,石墨烯在储能器件中所起的作用主要有四种:一种是石墨烯不参与电化学反应,仅仅通过与电解液形成双电层作用来存储电荷,提高电容效果,这种情况主要出现在超级电容器中;另一种则是与活性物质发生电化学反应,通过电子转移而产生法拉第电流,并为电化学反应的生成物提供存储场所,如锂离子电池等,或者虽然不发生电化学反应,但是可以通过与生成物相互作用而将其固定,同样提供存储场所,如锂硫电池;同时,石墨烯还可以为电化学反应提供催化效果,降低电化学反应所需的能量势垒,如ORR等;还有一种则是利用自身导电性提高电极的电导率,降低充放电过程中的欧姆电阻。本文主要围绕前面三种作用展开。
石墨烯在储能体系中的电化学行为与其电子结构息息相关。正确认识其电子结构将是更好利用石墨烯材料的有效前提,并且也可以为具体应用领域中石墨烯材料的电子结构调整提供指导思路。
石墨烯电子结构特征
1.石墨烯及其缺陷类型
石墨烯属于由双原子基点组成的三角布拉维点阵。由于相邻的两个碳原子位置不等同,石墨烯晶格可以分为两个亚点阵,每个亚点阵都是三角布拉维格子。相邻两个C原子的间距为0.142nm,键角为120°,与分子苯中的数值相同。平面内部C原子通过三个σ相互相连,在垂直平面上碳原子的pz轨道形成离域的π键。图1给出了石墨烯的结构示意图。
图1石墨烯的结构特征:(1)晶体结构;(2)布里渊区
布里渊区的三个高对称点是Τ,K和M,分别是六边形的中心、角和边的中心,见图1(2)。
石墨烯的能带结构非常特殊,在倒易空间的K/K’处出现线性色散,即此处附近石墨烯电子能量线性变化,同时此处电子态密度为零。完整石墨烯的费米能级与Dirac点重合,在费米能级附近成键的π态和反键的π*态双重简并。
在石墨烯实际制备过程中,往往难以得到完整的石墨烯,总是存在各种缺陷。同时为了改善石墨烯的电子结构,赋予其不同的化学性能,研究者也会对石墨烯晶格进行调整,引入部分缺陷或异原子。石墨烯上常见的缺陷为Stone-Wales(SW)缺陷、单空位(V1)缺陷、双空位(V2)缺陷和多原子缺陷,同时还会存在一维线形缺陷和晶界引起的缺陷等。
存在SW缺陷的石墨烯并没有丢失C原子,只是将某个C—C键旋转了90°,相邻的四个六边形变成两个五边形和两个七边形,所以此类缺陷也常称为55-77缺陷。该缺陷的形成能非常高,缺陷位置相对固定。
当石墨烯失去一个C原子后,会出现一个空位,产生V1缺陷。由于C原子的缺失,石墨烯上会出现三个具有未饱和悬挂键的C原子,此时石墨烯发生Jahn-Teller形变,其中两个C原子相互靠近形成五边形,只留下一个悬挂键。从而出现一个5元环和一个9元环。该缺陷的形成能也非常高,但是其迁移能垒较低,在较低温度下就可以在石墨烯表面发生迁移。
当两个相邻的碳原子除去后,石墨烯上会出现V2缺陷。此时石墨烯上的4个6元环会变成两个5元环和一个8元环,即585-V2。该缺陷的形成能与单空位相当。
除了点缺陷之外,石墨烯内部还存在一维的线缺陷。一种是将不同取向的石墨烯微晶分开的晶界,通常由5元环、8元环组成。还有一种则是石墨烯的边缘。由于具有悬挂键,边缘结构式通常为armchair和zigzga取向。然而当这两种边缘有碳原子丢失时,边缘的六元环中间会产生五元环和七元环。
2.原子掺杂
N原子经常引入到石墨烯内部来调控其电子结构。N掺杂石墨烯可以通过含N前驱体对石墨烯或者氧化石墨烯后处理得到缺陷点的存在会减少N掺杂的形成能,所以N在缺陷石墨烯的掺杂比完整石墨烯容易,在N掺杂之前有意引入缺陷会提高掺杂效果。对于完整石墨烯,由于N原子之间存在排斥力,N原子掺杂位置分布比较分散,但是当存在缺陷时,由于缺陷与N之间的吸引力,缺陷附近区域N的分布将会非常集中。
B原子也经常引入石墨烯来调整其电子结构。由于B比C缺少一个电子,掺B之后石墨烯费米能级向低能级方向移动,与Dirac点不再重合。此外,S、P等原子也用来掺杂改进石墨烯的电子结构。
图2给出了SW缺陷、V1和V2缺陷的具体结构。图3为完整石墨烯、585-V2石墨烯、SW缺陷石墨烯和石墨化N石墨烯的电子能带图。
图2不同种类石墨烯缺陷:(a)S-W缺陷;(b)V1缺陷;(c)585-V2缺陷;(d)555777-V2缺陷;(e)555-6-777-V2缺陷
图3不同类型石墨烯能带结构:(a)完整石墨烯;(b)585-V2缺陷;(c)S-W缺陷;(d)N石墨烯
下面根据石墨烯在储能器件中所起的不同作用,分别从超级电容器、锂离子电池和ORR过程对目前的理论研究进展进行讨论。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星太阳能光伏网获悉,10月12日,大同新成新材料股份有限公司与西北工业大学、西安科技大学合作共建新型光伏材料联合实验室及柔性钙钛矿太阳能电池工艺及设备开发项目签约揭牌仪式举行。大同新成新材料股份有限公司立足企业创新发展,依托产业优势、专业人才和设备优势,与西北工业大学材料学院合作
北极星储能网获悉,8月18日,福建龙岩永定区石墨烯动力(储能)锂离子电池生产项目签约。据悉,该项目总投资18亿,由深圳宁迪新能源有限公司投建,项目年产4GWh动力电池及储能电池,分两期建设。约定一期项目投产后3年内达产,实现年产值8亿元以上、年纳税5000万元以上。
5月11日,镇江500千伏访仙变电站室外5号主变500千伏侧5042开关汇控柜,喷涂了新型纳米陶瓷散热材料,柜体温度半小时内从26.5℃降到了20.8℃。此次采用的纳米远红外陶瓷材料与高品质石墨烯组合“降温服”,可以大幅提升热管理效率,在不需要外部任何能源、不占用额外体积、不增加设备的情况下,以“零能
“目前,单层石墨烯的市场公价是每克近千元,通过我们的特殊提取技术,可以使成本下降至目前的百分之一。”日前,在参观北京旭华时代科技有限公司(以下简称“北京旭华”)研发车间时,该公司董事长崔旭指着玻璃容器内的黑棕色液体向记者如此介绍。该公司曲面石墨烯已量产下线,当前产量达20吨;预计年
近日,工业和信息化部批复组建国家石墨烯创新中心、国家虚拟现实创新中心、国家超高清视频创新中心等3家国家制造业创新中心。国家石墨烯创新中心依托宁波石墨烯创新中心有限公司组建,建设地位于浙江宁波,股东单位充分汇聚了浙江、江苏、广东等14个省份的行业创新力量。国家石墨烯创新中心面向石墨烯
近日,工业和信息化部批复组建国家石墨烯创新中心、国家虚拟现实创新中心、国家超高清视频创新中心等3家国家制造业创新中心。国家石墨烯创新中心依托宁波石墨烯创新中心有限公司组建,建设地位于浙江宁波,股东单位充分汇聚了浙江、江苏、广东等14个省份的行业创新力量。创新中心面向石墨烯产业发展的
由位于柏林的全球能源互联网欧洲研究院(简称欧洲研究院)重点研发的石墨烯改性电工材料新技术此前成功应用于高压断路器新型电触头制备。近日,基于这种新型电触头部件的252KV/63KA敞开式柱上断路器在宁夏石嘴山步桥变电站中正式投入运行。据介绍,这项高端电工材料新技术在世界范围内率先填补了石墨烯改
6月24日由国网联研院、中国电科院、国网宁夏电力、平高集团联合研发的252千伏石墨烯断路器在石嘴山电网220千伏步桥变电站成功挂网运行,标志国内首台基于石墨烯改性电触头的252kV/63kASF6敞开柱式断路器在石嘴山电网正式运行。据了解,新型的石墨烯改性电触头表现出优异的耐磨性、导电性、抗熔焊性和抗
4月25日获悉,中国电力科学研究院有限公司完成新型防腐涂料变压器温升模拟实验。实验数据显示,与传统防腐涂层相比,新型防腐涂料可延长变压器绝缘纸服役寿命,显著提升变压器等输变电设备环保性能,还克服了常规涂料添加高导热填料后防腐蚀性能下降的难题。由于传统防腐涂层热导率远低于外壳金属材料
北极星储能网获悉,1月17日,湖北房县举行2022年招商引资“开门红”签约仪式,14个项目集中签约,其中两个储能生产项目,总投资30.5亿。湖北世润新材料有限公司投资5千万元建设石墨烯项目、湖北钒界新能源有限公司投资30亿元建设钒储能项目、
为了寻求可持续的能源储存,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一个新的概念,将石墨烯应用到可持续的钠离子电池中,从而让容量比传统钠离子电池增长了十倍。
链动全球,赋能绿色,驱动未来。4月27日,备受瞩目的2024年中国国际电池技术交流会暨展览会(CIBF2024)(以下简称“CIBF电池展”)在重庆国际博览中心盛大开幕,格力钛新能源携多款电池储能产品亮相,以科技创新推动产业创新,竞逐产业新赛道,助推新型储能技术成为推动能源革命的重要力量。新型储能
北极星储能网获悉,三花智控4月28日在回复投资者提问时表示,公司根据客户不同需求提供热管理产品,目前已与国内外诸多客户展开合作,并有大量的产品应用。
4月27日下午,中城大有董事长吴发福、书记张金培、常务副总刘泽碧等在深圳会见了来访的中铁二十一局运营公司党委书记、执行董事魏惠民,总经理、党委副书记岳占双等。双方就新能源产业发展,储能项目建设等专业领域合作发展进行深度交流并达成共识,进行了合作签约仪式。中城大有新能源事业一部总经理
4月26日,中国能建数科集团党委书记、董事长万明忠一行赴山东济南,与山东国惠集团党委副书记、董事、总经理高长生举行会谈。双方围绕压气储能、地热及综合能源合作事宜展开充分交流,达成广泛共识。山东国惠集团党委委员、副总经理王京鹏,数科集团党委委员、副总经理齐志利参加上述活动。万明忠对山
4月27日,华润电力唐河县200MW光伏项目配套40MW(80MWh)储能系统EPC总承包工程招标中标候选人公示发布,第一中标候选人为威胜能源技术股份有限公司,投标报价66246021.82元,折合单价0.828元/Wh;第二中标候选人为许继电气股份有限公司,折合单价0.83元/Wh。项目位于河南省南阳市唐河县境内。招标内容和
北极星储能网获悉,据渑池消息,4月26日,河南渑池县(希格腾华)用户侧储能项目启动仪式举行。据悉,(希格腾华)用户侧储能项目是河南省豫西地区首个用户侧储能电站,由中能科技公司和开发区韶润公司共同投资兴建,总投资2100万元,规划总容量4.4MW/12.8MWh。电站根据用户实际生产的用电情况进行模块
北极星储能网获悉,据平远发布消息,4月26日,广东梅州平远新型智慧独立储能项目即恒运储能项目(一期)动工仪式在梅州平远高新区举行。该项目为广东省2024年首个动工的大型电网侧储能电站,总投资额约为12亿元,其中一期投资额约为4亿元,占地面积达1.6万平方米。项目建设规模为100MW/200MWh,电站将
4月22日,国家能源集团海北公司刚察120万千瓦“源网荷储”一体化配套储能项目场平工程开始施工,拉开项目建设序幕,全力推进项目建设。刚察120万千瓦“源网荷储”一体化项目位于青海省刚察县热水镇,平均海拔3700米,一期光伏直流装机1200兆峰瓦,交流容量1000兆瓦,按照15%、2小时配置150兆瓦/300兆瓦
北极星储能网获悉,4月26日西安市北石桥污水处理厂1725kW/5505kWh储能项目EPC总承包招标公告发布。公告显示,本项目为西安市北石桥污水处理厂1725kW/5505kWh储能项目EPC总承包,包括分布式储能项目的设计、储能设备及材料的采购、建筑及安装工程施工、项目管理、调试、并网、验收、培训、移交生产、工
北极星储能网获悉,科力远4月26日在回复投资者提问时表示,公司于2023年中标的储能项目均已完工交付。2023年公司储能业务中标量较少,暂时对公司业绩贡献度较低。但公司牵头组建的储能创新产业联合体和储能产业基金项目取得实质进展,公司与中创新航共同投资设立储能产业母基金,将为储能创新联合体成
在全球化背景之下,各国之间的能源互联已成为趋势,储能行业的发展迎来了新的发展机遇。伴随储能利好政策的不断出台及商业模式的日趋成熟,中国新型储能发展步入快行道,未来行业也将加速由“成本竞争”转向“价值竞争”。“2024年,将是更卷的一年。”在过去的两年间,储能行业急速成熟起来,不同企业
北极星储能网获悉,据国家知识产权局公告,4月26日,中国石油化工股份有限公司申请一项名为“一种电化学储能设备用冷却液及其制备方法与应用”的专利,申请公布号为CN117925197A,申请日期为2022年10月25日。专利摘要显示,本发明属于冷却液技术领域,具体涉及一种电化学储能设备用冷却液及其制备方法
4月17日,综铁科技建设中策橡胶(建德)有限公司电化学储能电站项目招标公告发布,项目自筹资金3029万元,规模12.5MW/23.295MWh,折合单价1.3元/Wh。本项目为交钥匙工程,位于浙江省杭州市。
4月18日,华丰能源建设杭州电化集团有限公司电化学储能电站项目招标公告(非政府采购项目)发布,项目资金来源为自筹资金3506.24万元,规模15MW/27.954MWh,折合单价1.254元/Wh。本项目为交钥匙工程。
北极星售电网获悉,近日,福建省宁德市工业和信息化局等部门发布关于印发宁德市工业领域碳达峰实施方案的通知,《方案》提到,加速构建以新能源为主体的新型电力系统,推进风光水核等清洁能源与电化学储能一体化发展,实现新能源发电精细化运行与控制,源网荷储互动、多能协同互补、用能需求智能调控。
北极星储能网获悉,近日,济南市政府印发《济南市2024年国民经济和社会发展计划》。《计划》提出,2024年济南将加快新能源项目建设。有序推进分布式光伏开发建设,继续推进整县(区)屋顶分布式光伏规模化开发。加快新型储能推广应用,推进蓝海领航智慧能源中心储能项目等3个省新型储能示范项目建成并
近日,江苏省市场监督管理局发布《关于批准建设2023、2024年度省市场监管重点实验室和技术创新中心的通知》(苏市监科信〔2024〕62号),由无锡市检验检测认证研究院申报的“江苏省市场监管重点实验室(电化学储能)”正式获批建设。该实验室是省内首个以高水平储能产品质量安全评价及储能系统安全预防
北极星储能网获悉,4月17日,中国能建在回复投资者提问时表示,公司通过投资运营和工程建设方式参与各种传统能源和新能源发电项目,截至2023年底,公司控股并网装机发电项目约100余个。在储能领域,公司大力推进空气压缩储能、电化学储能、重力储能等项目,湖北应城300MW天然盐穴压缩空气储能、甘肃酒
根据国网新疆电力公司调度数据,2024年一季度全区投运的新型储能平均等效充放电次数141次,按照电化学储能85%电能量转换率折算,基本可满足单日“一充一放”,平均利用小时数达471小时,平均利用系数超80%,已达较高水平。一季度新疆电网新增新型储能电站18座,新增装机规模146.95万千瓦/529.4万千瓦时
北极星储能网获悉,4月11日,江苏昆宇电化学储能项目开工。该项目由昆宇电源股份有限公司投资建设。项目总投资45亿元,占地面积300亩,建成后年产电化学储能电池12GWh,达产后年销售收入约60亿元。
储能大时代,电化学储能正处于从商业化初期向规模化发展转变的关键期,电化学储能具备地理位置限制小、建设周期短、成本持续下降等优势,是目前发展速度最快、行业内最为关注的储能技术。未来,在政府扶持政策、储能系统成本进一步下降以及储能意识提升的推动下,预计全球新增电化学储能装机量将从2022
新能源汽车与电网融合互动,是新能源汽车通过充放电装置与电网进行能量和信息的互动,按能量流向主要分为智能有序充电、双向充放电等形式,可参与削峰填谷、虚拟电厂、聚合交易等应用场景。近日,国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部、市场监管总局四部门联合印发了《关于加强新能源汽车与电网
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!