Wird Graphen in Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet?

Jul 07, 2023

Was ist Graphen? Graphen ist ein zweidimensionales Material, das aus einer einzigen Ebene von Atomen mit außergewöhnlichen Eigenschaften besteht. Im Gegensatz zu anderen Schichtmaterialien besteht Graphen aus Atomen, die in einer einzigen Ebene angeordnet sind, was es zu einem wirklich zweidimensionalen Material macht. Wenn diese zweidimensionalen Schichten in mehreren Schichten gestapelt werden, entsteht Graphit.

Die Dicke kann je nach Faktoren wie Stapelung und Wechselwirkung mit Substraten variieren. Das mechanische Verhalten von Graphen wird durch seine physikalischen Abmessungen und Elastizitätsmodule bestimmt, die typischerweise durch verschiedene experimentelle und theoretische Methoden gemessen und charakterisiert werden.

Graphen zur EnergiespeicherungDie große Oberfläche von Graphen ermöglicht eine höhere Anzahl aktiver Stellen, was größere elektrochemische Reaktionen erleichtert und die Energiespeicherkapazität in Graphen-Elektrofahrzeugbatterien erhöht.

Graphenbasierte Materialien für flexible Graphen-EV-Batterien In einer Studie aus dem Jahr 2019 wird die Verwendung graphenbasierter Materialien für flexible Batterien diskutiert. In dieser Studie werden verschiedene makroskopische Architekturen von Graphen untersucht, darunter Fasern, Filme und Aerogele. Graphenfilme weisen Flexibilität auf und werden als Stromkollektoren in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) verwendet, wodurch die Energiedichte und die Zyklenlebensdauer verbessert werden.

Dreidimensionale (3D) Graphenstrukturen wie Hydrogele und Aerogele bieten eine große Oberfläche und hohe Porosität, wodurch die Beladung mit aktivem Material und die Zugänglichkeit des Elektrolyten verbessert werden. Elektroden auf Graphenbasis sind vielversprechend für LIBs, Natriumionenbatterien (SIBs), multivalente Metallionenbatterien (ZIBs, AIBs) und Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S-Batterien).

Flexible Graphen-Elektroden weisen eine hervorragende mechanische Stabilität, hohe Kapazität, Geschwindigkeitsleistung und Zyklenlebensdauer auf und eignen sich daher für verschiedene Anwendungen in flexiblen Energiespeichersystemen. Weitere Forschung ist erforderlich, um flexible Anoden für Li-S-Batterien zu optimieren und zu entwickeln.

Graphenbasierte Architektur mit Kohlenstoffnanofasern und Molybdändisulfid (MoS2)-Nanoflocken Natriumionenbatterien stehen vor Herausforderungen hinsichtlich der Langzeitstabilität und Hochgeschwindigkeitsfähigkeit. Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Forscher in einer Studie aus dem Jahr 2019 eine Architektur auf Graphenbasis mit vertikal durchdringenden Kohlenstoffnanofasern (CNFs) und in situ gewachsenen Molybdändisulfid (MoS2)-Nanoflocken. Diese durchdringende Graphenstruktur verbessert die mechanische Integrität und elektrische Leitfähigkeit.

Die resultierende Batterie weist eine hervorragende elektrochemische Leistung auf, einschließlich einer spezifischen Kapazität von 598 mAh g−1, einer langfristigen Zyklenstabilität von bis zu 1000 Zyklen und einer hervorragenden Ladeleistung auch bei hohen Stromdichten. Die große Oberfläche, die hohe Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit von Graphen machen es zu einem idealen Kohlenstoffmaterial für Batterieanwendungen. Die einzigartige Architektur von CNFs, die Graphen mit MoS2 durchdringen, verspricht die Entwicklung leistungsstarker Natriumionenbatterien mit verbesserter Stabilität und Geschwindigkeitsfähigkeit.

Vorteile von Graphen-EV-BatterienGraphen-Batterien für Elektrofahrzeuge haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Schnelleres Laden Eines der Hauptprobleme bei herkömmlichen Elektrofahrzeugbatterien im Vergleich zu Graphen-Elektrofahrzeugbatterien ist die zum Laden dieser Batterien erforderliche Zeit, da herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mehrere Stunden brauchen, um die volle Ladung zu erreichen, was den Komfort und die Benutzerfreundlichkeit von Elektrofahrzeugen einschränkt. Graphen-Elektrofahrzeugbatterien bieten eine Lösung für diese Herausforderung, indem sie schnellere Ladezeiten ermöglichen, indem sie einen schnellen Ionentransport durch die Elektrodenmaterialien der Batterie ermöglichen. Forscher gehen davon aus, dass es mit Graphen bald möglich sein könnte, ein Elektrofahrzeug in wenigen Minuten statt in Stunden aufzuladen.

WärmeableitungDie verbesserte Wärmeleitfähigkeit von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien trägt dazu bei, die Wärme während der Lade- und Entladezyklen effizienter abzuleiten, was das Risiko einer Überhitzung verringert, die Sicherheit von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien erhöht, Bedenken im Zusammenhang mit Batteriebränden ausräumt und ein zuverlässiges und sicheres Energiespeichersystem gewährleistet.

Leicht und kompakt Verbundmaterialien auf Graphenbasis werden verwendet, um dünnere und leichtere Elektroden für Graphen-Elektrofahrzeugbatterien herzustellen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, was zu einer verbesserten Energieeffizienz und einer größeren Reichweite aufgrund des reduzierten Gesamtgewichts des Fahrzeugs führt. Darüber hinaus ermöglicht die kompakte Beschaffenheit von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien eine effizientere Verpackung, wodurch der verfügbare Platz im Fahrzeug maximiert und die Designflexibilität erhöht wird.

Umweltvorteile von Graphen-EV-Batterien Graphen-Batterien für Elektrofahrzeuge bieten mehrere Vorteile für die Umwelt, da die Herstellungsverfahren für Graphen umweltfreundlicher geworden sind, skalierbare Methoden nutzen und den Energieverbrauch senken. Darüber hinaus führt die erhöhte Energieeffizienz von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien zu geringeren Kohlenstoffemissionen beim Betrieb von Elektrofahrzeugen, was sie zu einer umweltfreundlicheren Alternative zu herkömmlichen Fahrzeugen macht.

Herausforderungen und Zukunftsaussichten von Graphen-EV-Batterien Während die Welt den Übergang zu einer saubereren und nachhaltigeren Zukunft anstrebt, stellt der Einsatz von Graphen-Batterien für Elektrofahrzeuge einen bedeutenden Schritt vorwärts bei der Revolutionierung des Transportsektors dar. Während Graphen ein enormes Potenzial für die Revolutionierung von Elektrofahrzeugbatterien birgt, müssen vor der breiten Einführung von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien mehrere Herausforderungen bewältigt werden.

Die Skalierbarkeit der Graphenproduktion, die Kosteneffizienz und die Integration in bestehende Batterieherstellungsprozesse gehören zu den Hauptschwerpunkten von Forschern und Branchenexperten. Trotz dieser Herausforderungen sind die Fortschritte bei Graphen-Elektrofahrzeugbatterien zur Energiespeicherung vielversprechend. Aufgrund der laufenden Forschung und Entwicklung wird erwartet, dass die Integration von Graphen-Elektrofahrzeugbatterien in den kommenden Jahren praktischer und wirtschaftlicher wird.

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