雙層石墨烯產(chǎn)生高密度鋰，增加電池容量

關(guān)于電池的討論通常圍繞能量密度。我們想要的是能夠以非常小的體積存儲(chǔ)大量能量的電池，優(yōu)選地以不涉及爆炸或火災(zāi)的方式存儲(chǔ)。在研究的最前沿，我們得到了令人驚訝和非常糟糕的混合電池。

坦率地說(shuō)，與現(xiàn)有的鉛酸電池相比，現(xiàn)代電池是一個(gè)奇跡。然而，它們每單位質(zhì)量的能量仍然比單位質(zhì)量木材少?；旧?，我們沒(méi)有將足夠的原子放入足夠小的體積來(lái)與碳?xì)浠衔锔?jìng)爭(zhēng)。但現(xiàn)在看來(lái)，石墨烯-總是石墨烯-可能有助于鋰的包裝。

無(wú)形的金屬

雖然制造鋰離子電池的方法很多，但化學(xué)反應(yīng)可歸納如下：鋰以某種形式存儲(chǔ)在一個(gè)電極上。鋰作為離子釋放，在那里它傳播到另一個(gè)電極并作出反應(yīng)。同時(shí)，完成反應(yīng)的電子通過(guò)一個(gè)電極進(jìn)入世界，做一些工作，最后到達(dá)反應(yīng)完成的另一個(gè)電極。

關(guān)鍵是鋰通常儲(chǔ)存為輕質(zhì)低密度碳化鋰。尋找增加鋰密度的材料是增加電池容量的一種方法。

這是電池研究經(jīng)常遇到問(wèn)題的地方。鋰是一種非常輕的元素。碳是電池的另一個(gè)主要組成部分，也是一種非常輕的元素。當(dāng)用電子顯微鏡觀察時(shí)，它們看起來(lái)幾乎相同。這使得難以檢查鋰如何積聚在電極上并且難以看到它在儲(chǔ)存期間形成的結(jié)構(gòu)的變化（或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時(shí)如何分離）。

但情況要糟糕得多。電子顯微鏡通常使用相對(duì)高能量的電子來(lái)產(chǎn)生圖像。電子具有足夠的能量來(lái)將碳和鋰原子與被檢查的結(jié)構(gòu)分離。創(chuàng)建圖像時(shí)，您已經(jīng)破壞了圖像的結(jié)構(gòu)。不理想。

進(jìn)入一組科學(xué)家，他們的透射電子顯微鏡是為低能電子設(shè)計(jì)的。顯微鏡仍具有足夠的分辨率來(lái)觀察單個(gè)原子，因此可以確定結(jié)構(gòu)。通過(guò)檢查電子在通過(guò)樣品時(shí)損失了多少能量，研究人員還可以計(jì)算樣品含量。最后，收集圖像所需的時(shí)間足夠短（大約一秒鐘），研究人員可以觀察電池使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的累積和衰減。

鋰三明治

由于透射電子顯微鏡需要電子通過(guò)樣品，因此碳-鋰層必須非常薄。研究人員選擇使用石墨烯雙層（石墨烯是單層石墨烯，碳原子排列成蜂窩狀）。含有電解質(zhì)的鋰離子簇置于石墨烯帶的一端。

沿著色帶放置一系列電極以測(cè)量和設(shè)置電壓。電壓用于將鋰驅(qū)動(dòng)到色帶中并使其再次離開(kāi)。隨著鋰在帶中累積，電阻下降，允許第二組電極檢測(cè)鋰的存在。

研究人員沒(méi)有說(shuō)出來(lái)，但我認(rèn)為他們對(duì)發(fā)生的事情感到非常驚訝。鋰在兩個(gè)石墨烯帶之間的間隙中移動(dòng)得非常快。在它們的圖表的規(guī)模上，鋰立即出現(xiàn)在電極之間。從電影的角度來(lái)看，似乎需要大約14s才能行進(jìn)50微米，我覺(jué)得這個(gè)速度非?？?。

鋰的量也非常令人驚訝。通過(guò)檢查結(jié)構(gòu)和元素組成，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰不像預(yù)期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成多層結(jié)晶鋰，僅最外層與碳結(jié)合。然而，金屬鋰不是通常的形式。相反，鋰形成高密度狀態(tài)，通常在低溫或非常高的壓力下發(fā)現(xiàn)。

不要過(guò)度興奮

這非常有趣，甚至可能證明是有用的。但還沒(méi)有。首先，高密度鋰僅在兩種非常接近完美的石墨烯之間形成，而不是您可以從制造商那里購(gòu)買(mǎi)的那種石墨烯。事實(shí)上，在缺陷邊緣附近，電子顯微鏡中的電子提供足夠的能量來(lái)沸騰鋰金屬。

即使我們可以獲得大量高質(zhì)量的雙層石墨烯片，也不能確定鋰在充電循環(huán)期間會(huì)如期望的那樣擴(kuò)散。很容易想象第一個(gè)鋰離子在一個(gè)區(qū)塊中積聚，防止其余的鋰進(jìn)入三明治。

目前尚不確定石墨烯能否在此過(guò)程中存活很長(zhǎng)時(shí)間。這是涉及鋰金屬的電池的主要問(wèn)題之一：電極在多個(gè)循環(huán)中破壞自身。我們不知道石墨烯是否比目前的電極設(shè)計(jì)更耐用。

換句話(huà)說(shuō)，研究人員并未將其用作電池就緒技術(shù)。相反，它是實(shí)驗(yàn)必要性如何導(dǎo)致一系列有趣的新觀察的一個(gè)很好的例子，我們可以從中學(xué)到很多東西。而且，如果我們幸運(yùn)的話(huà)，它最終將有助于使電池更好。