石墨烯中高密度鋰可增加電池容量

雙層石墨烯萌生高密度鋰，可增加電池容量。關于電池的討論經常圍繞著能量密度展開。

我們想要的是一種電池，它能在很小的體積里儲存大量的能量，最好是不發生爆炸或火災。在最前沿的研究中，我們得到的是一種混合的奇妙電池。

坦率地說，與傳統的鉛酸蓄電池相比，現代電池是一個奇跡。然而，它們每單位質量所含的能量依然低于同等質量的木材。本質上，我們只是沒有把足夠多的原子壓縮成足夠小的體積來與碳氫化合物競爭。

但是，今朝看來，石墨烯——可能有助于鋰的填充。

看不見的金屬

盡管制造鋰電池的辦法有很多，但其化學原理可以歸結為:鋰以某種形式儲存在一個電極上。鋰以離子的形式被釋放出來，在那里它移動到另一個電極并發生反應。與此同時，完成反應的電子通過一個電極到達外界，做一些功，最后到達另一個電極，在那里完成反應。

這里的關鍵是鋰通常以輕質低密度碳化鋰的形式儲存。尋找增加鋰密度的材料是增加電池容量的一種辦法。

這就是電池研究常常遇到問題的地方。鋰是一種很輕的元素。碳是電池的另一個主要成分，也是一種非常輕的元素。用電子顯微鏡看，它們幾乎一模一樣。這使得研究鋰要怎么樣在電極上積聚變得非常困難，也使得人們很難看到鋰在儲存過程中形成的結構變化(或者這些結構在被移除時是要怎么樣分析的)。

然而，情況比這更糟。電子顯微鏡通常使用能量很高的電子來成像。電子有足夠的能量把碳原子和鋰原子從被測試的結構中撞出來。當你創建了你的形象，你已經破壞了你所想象的結構。不是最理想的。

帶著透射電子顯微鏡進入一組科學家的隊伍，該顯微鏡被設計用于研究低能電子。顯微鏡依然有足夠的辨別率來觀察單個原子，因此可以確定結構。通過研究電子在穿過樣品時損失了多少能量，研究人員也能算出樣品的含量。最后，收集圖像的時間足夠短(約莫1秒)，研究人員可以觀察到電池使用時結構的建立和衰變。

鋰三明治

由于透射電鏡要求電子通過樣品，碳-鋰層非得非常薄。研究人員選擇了石墨烯雙層帶(石墨烯是單層石墨烯，碳原子排列成蜂窩狀)。在石墨烯帶的一端放置一團含有電解質的鋰離子。

沿著色帶放置了一系列電極來測量和設置電壓。電壓被用來驅動鋰進入色帶并準許它再次離開。當鋰離子在帶狀結構中積累時，電阻下降，使得第二組電極能夠測試到鋰離子的存在。

研究人員沒有說出來，但我認為他們對發生的事情感到非常驚愕。鋰在兩個石墨烯帶之間的間隙移動得相當快。在他們的圖表上，鋰元素立即出今朝電極之間。從電影里看，它仿佛要花14秒才能跑到50微米，我覺得這個速度快得驚人。

鋰的含量也相當驚人。通過研究鋰的結構和元素組成，研究人員發現鋰并沒有像預期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成了多層結晶鋰，惟有最外層與碳結合。但是金屬鋰并不是它通常的形式。相反，鋰會形成一種高密度的狀態，這種狀態通常在低溫或高壓下才會出現。

這非常有趣，甚至可能被證明是有用的。但今朝還不是時候。首先，高密度的鋰只在兩片近乎完美的石墨烯之間形成，而不是那種你可以從制造商那里買到的石墨烯。的確，在缺陷的邊緣附近，電子在電子顯微鏡中所提供的能量足以將金屬鋰燒開。

即使我們能夠獲得大量高質量的雙層石墨烯薄片，也不能確定鋰在充電周期中是不是會像所需那樣擴散得那么深。很容易想象第一個鋰離子集中成一團，阻止剩余的鋰進入三明治。

石墨烯在這一過程中能否存活很長時間也不確定。這是金屬鋰離子電池的主要問題之一:電極會在多次循環中自我破壞。我們不了解石墨烯的使用壽命是不是會超過目前的電極設計。

盡管如此，研究人員并沒有把它作為一種電池就緒的技術來展示。相反，它是一個很好的例子，說明了試驗的必要性要怎么樣導致了一組有趣的新觀察結果，我們可能會從中學到很多東西。如果我們幸運的話，它最終會幫助電池變得更好。

文章轉載自公眾號：石墨烯雷達

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