雙層石墨烯產(chǎn)生高密度鋰，可增加電池容量。關(guān)于電池的討論常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(chǔ)存大量的能量，最好是不發(fā)生爆炸或火災(zāi)。在最前沿的研究中，我們得到的是一種混合的神奇電池。

坦率地說(shuō)，與傳統(tǒng)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)量所含的能量仍然低于同等質(zhì)量的木材。本質(zhì)上，我們只是沒(méi)有把足夠多的原子壓縮成足夠小的體積來(lái)與碳?xì)浠衔锔?jìng)爭(zhēng)。

但是，現(xiàn)在看來(lái)，石墨烯——可能有助于鋰的填充。

看不見的金屬

盡管制造鋰離子電池的方法有很多，但其化學(xué)原理可以歸結(jié)為:鋰以某種形式儲(chǔ)存在一個(gè)電極上。鋰以離子的形式被釋放出來(lái)，在那里它移動(dòng)到另一個(gè)電極并發(fā)生反應(yīng)。與此同時(shí)，完成反應(yīng)的電子通過(guò)一個(gè)電極到達(dá)外界，做一些功，最后到達(dá)另一個(gè)電極，在那里完成反應(yīng)。

這里的關(guān)鍵是鋰通常以輕質(zhì)低密度碳化鋰的形式儲(chǔ)存。尋找增加鋰密度的材料是增加電池容量的一種方法。

這就是電池研究經(jīng)常遇到問(wèn)題的地方。鋰是一種很輕的元素。碳是電池的另一個(gè)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。這使得研究鋰如何在電極上積聚變得非常困難，也使得人們很難看到鋰在儲(chǔ)存過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)變化(或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時(shí)是如何分解的)。

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(lái)成像。電子有足夠的能量把碳原子和鋰原子從被檢測(cè)的結(jié)構(gòu)中撞出來(lái)。當(dāng)你創(chuàng)建了你的形象，你已經(jīng)破壞了你所想象的結(jié)構(gòu)。不是最理想的。

帶著透射電子顯微鏡進(jìn)入一組科學(xué)家的隊(duì)伍，該顯微鏡被設(shè)計(jì)用于研究低能電子。顯微鏡仍然有足夠的分辨率來(lái)觀察單個(gè)原子，因此可以確定結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究電子在穿過(guò)樣品時(shí)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(shí)間足夠短(大約1秒)，研究人員可以觀察到電池使用時(shí)結(jié)構(gòu)的建立和衰變。

鋰三明治

由于透射電鏡要求電子通過(guò)樣品，碳-鋰層必須非常薄。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(tuán)含有電解質(zhì)的鋰離子。

沿著色帶放置了一系列電極來(lái)測(cè)量和設(shè)置電壓。電壓被用來(lái)驅(qū)動(dòng)鋰進(jìn)入色帶并允許它再次離開。當(dāng)鋰離子在帶狀結(jié)構(gòu)中積累時(shí)，電阻下降，使得第二組電極能夠檢測(cè)到鋰離子的存在。

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移動(dòng)得相當(dāng)快。在他們的圖表上，鋰元素立即出現(xiàn)在電極之間。從電影里看，它似乎要花14秒才能跑到50微米，我覺(jué)得這個(gè)速度快得驚人。

鋰的含量也相當(dāng)驚人。通過(guò)研究鋰的結(jié)構(gòu)和元素組成，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰并沒(méi)有像預(yù)期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成了多層結(jié)晶鋰，只有最外層與碳結(jié)合。但是金屬鋰并不是它通常的形式。相反，鋰會(huì)形成一種高密度的狀態(tài)，這種狀態(tài)通常在低溫或高壓下才會(huì)出現(xiàn)。

這非常有趣，甚至可能被證明是有用的。但現(xiàn)在還不是時(shí)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(zhì)量的雙層石墨烯薄片，也不能確定鋰在充電周期中是否會(huì)像所需那樣擴(kuò)散得那么深。很容易想象第一個(gè)鋰離子聚集成一團(tuán)，阻止剩余的鋰進(jìn)入三明治。

石墨烯在這一過(guò)程中能否存活很長(zhǎng)時(shí)間也不確定。這是金屬鋰電池的主要問(wèn)題之一:電極會(huì)在多次循環(huán)中自我破壞。我們不知道石墨烯的使用壽命是否會(huì)超過(guò)目前的電極設(shè)計(jì)。

盡管如此，研究人員并沒(méi)有把它作為一種電池就緒的技術(shù)來(lái)展示。相反，它是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)的必要性如何導(dǎo)致了一組有趣的新觀察結(jié)果，我們可能會(huì)從中學(xué)到很多東西。如果我們幸運(yùn)的話，它最終會(huì)幫助電池變得更好。