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原标题:石墨烯中的高密度锂:一种有趣的电池宝马娱乐在

浏览次数:168 时间:2019-10-01

德国斯图加特马普固态研究所和乌尔姆大学的科学家使用超显微镜,观察到以原子分辨率显示的锂离子在电化学充放电过程中的表现,证明了在单个纳米电池中双层石墨烯发生的可逆锂离子吸收。研究成果发表在最新一期的《自然》杂志上。

双层石墨烯产生高密度锂,可增加电池容量。关于电池的讨论常常围绕着能量密度展开。

斯图加特马普固态研究所物理学家于尔根·斯迈特介绍说,研究显示“纯碳化合物最适合用于锂基电化学存储系统,在此系统中,锂暂时储存在碳主体中”。

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这一项目由巴符州基金会资助,目的是研究锂在二维碳化合物(如原子水平的石墨烯)中的储存和扩散。为此,斯迈特和他的博士生开发了一种由双层石墨烯组成的“微型电池”。石墨烯属于二维材料,由单个碳原子层组成。在只有0.3纳米薄的细长电化学微电池的一端,研究人员在顶部施加了溶解有锂盐的电解质液滴。为使电解质不干扰电子显微照片,实验必须精确定位和机械稳定,他们采用了一种技巧,即添加了在紫外线下固化的聚合物,使液滴成为凝胶状固体留在原处。

我们想要的是一种电池,它能在很小的体积里储存大量的能量,最好是不发生爆炸或火灾。在最前沿的研究中,我们得到的是一种混合的神奇电池。

实验显示,当电压施加到纳米电池时,锂离子从电解质液滴迁移到石墨烯双层的间隙中,并在那里积聚;去除电位差时,累积储存的锂又溶解并迁移回到电解质液滴中。

坦率地说,与传统的铅酸电池相比,现代电池是一个奇迹。然而,它们每单位质量所含的能量仍然低于同等质量的木材。本质上,我们只是没有把足够多的原子压缩成足够小的体积来与碳氢化合物竞争。

在原子水平上,这种过程很难被“原位”观察。乌尔姆大学乌特·凯瑟教授领导的团队利用超显微镜首次证明了石墨烯在原子水平上的嵌入。

但是,现在看来,石墨烯——可能有助于锂的填充。

实验结果让研究人员感到吃惊,传统的石墨基电池只有少数紧密堆积的锂在两层碳层之间,而在石墨烯纳米电池里发现非常密集的锂层。凯瑟教授称,超显微镜为理解纳米电池提供了独特的途径,能在石墨烯夹层中观察锂等轻元素的扩散是一项巨大的科学挑战,传统的透射电子显微镜做不到。

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尽管制造锂离子电池的方法有很多,但其化学原理可以归结为:锂以某种形式储存在一个电极上。锂以离子的形式被释放出来,在那里它移动到另一个电极并发生反应。与此同时,完成反应的电子通过一个电极到达外界,做一些功,最后到达另一个电极,在那里完成反应。

石墨烯是二维材料家族中最出名的。2004年英国科学家制备出这种由单层碳原子构成的超薄片,后来获得2010年诺贝尔物理学奖。自那以后,二维材料迎来研发热潮,由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等不断被开发出来。令人称奇的是,同一种物质,从传统的三维世界进入二维国度后,便出现许多极为独特的物理、化学性质。期待二维材料能为新一代电子元器件和电池的开发带来新的可能。

这里的关键是锂通常以轻质低密度碳化锂的形式储存。寻找增加锂密度的材料是增加电池容量的一种方法。

这就是电池研究经常遇到问题的地方。锂是一种很轻的元素。碳是电池的另一个主要成分,也是一种非常轻的元素。用电子显微镜看,它们几乎一模一样。这使得研究锂如何在电极上积聚变得非常困难,也使得人们很难看到锂在储存过程中形成的结构变化(或者这些结构在被移除时是如何分解的)。

然而,情况比这更糟。电子显微镜通常使用能量很高的电子来成像。电子有足够的能量把碳原子和锂原子从被检测的结构中撞出来。当你创建了你的形象,你已经破坏了你所想象的结构。不是最理想的。

带着透射电子显微镜进入一组科学家的队伍,该显微镜被设计用于研究低能电子。显微镜仍然有足够的分辨率来观察单个原子,因此可以确定结构。通过研究电子在穿过样品时损失了多少能量,研究人员也能算出样品的含量。最后,收集图像的时间足够短,研究人员可以观察到电池使用时结构的建立和衰变。

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