關(guān)于電池的討論通常圍繞能量密度。我們想要的是一種能夠以非常小的體積存儲大量能量的電池，優(yōu)選地以不涉及爆炸或火災(zāi)的方式存儲。在研究的最前沿，我們得到的是電池，它們混合了驚人的和非常糟糕的。

坦率地說，與現(xiàn)有的鉛酸電池相比，現(xiàn)代電池是一個奇跡。然而，與單位質(zhì)量的木材相比，它們每單位質(zhì)量的能量仍然較少。基本上，我們根本沒有將足夠的原子裝入足夠小的體積以與碳氫化合物競爭。但是，現(xiàn)在看來石墨烯-它總是石墨烯-可能有助于鋰的包裝。

無形的金屬

盡管制造鋰離子電池的方法很多，但化學(xué)反應(yīng)可歸結(jié)為以下幾點：鋰以某種形式存儲在一個電極上。鋰作為離子釋放，在那里它行進到另一個電極并作出反應(yīng)。同時，完成反應(yīng)的電子通過一個電極進入世界，做一些工作，最后到另一個電極，在那里完成反應(yīng)。

關(guān)鍵在于鋰通常作為輕質(zhì)低密度碳化鋰儲存。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)常遇到問題的地方。鋰是一種非常輕的元素。碳是電池的另一個主要成分，也是一種非常輕的元素。通過電子顯微鏡觀察時，它們看起來幾乎相同。這使得很難檢查鋰如何在電極處積聚并且難以看到它在存儲時形成的結(jié)構(gòu)的變化（或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時如何分離）。

不過，情況比這更糟糕。電子顯微鏡通常使用相當高能的電子來產(chǎn)生圖像。電子具有足夠的能量來將碳和鋰原子從被檢查的結(jié)構(gòu)中分離出來。當您創(chuàng)建圖像時，您已經(jīng)破壞了您成像的結(jié)構(gòu)。不理想。

進入一組具有透射電子顯微鏡的科學(xué)家，該顯微鏡設(shè)計用于處理低能電子。顯微鏡仍具有足夠的分辨率來觀察單個原子，因此可以確定結(jié)構(gòu)。通過檢查電子在通過樣品時損失了多少能量，研究人員還可以計算出樣品內(nèi)容。最后，收集圖像所需的時間足夠短（大約一秒鐘），研究人員可以觀察到電池使用時結(jié)構(gòu)的堆積和衰減。

鋰三明治

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

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

研究人員沒有說出來，但我認為他們對發(fā)生的事情感到非常驚訝。鋰在兩個石墨烯帶之間的間隙中移動得非常快。在它們的圖表的規(guī)模上，鋰立即出現(xiàn)在電極之間。從電影來看，它看起來需要大約14s才能行進50微米，我覺得這個速度非常快。

鋰的數(shù)量也非常令人驚訝。通過檢查結(jié)構(gòu)和元素組成，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰沒有像預(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)。

不要過度興奮

這非常有趣，甚至可能證明是有用的。但還沒有。就目前而言，高密度鋰僅在兩片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買的那種石墨烯。實際上，在缺陷邊緣附近，電子顯微鏡中電子所賦予的能量足以使鋰金屬沸騰。

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周期中會如所希望的那樣深度擴散。很容易想象第一個鋰離子在一個塊中積聚，阻止其余的鋰進入三明治。

石墨烯在該過程中存活很長時間也不確定。這是涉及金屬鋰的電池的主要問題之一：電極在多個循環(huán)中破壞自身。我們不知道石墨烯是否能比目前的電極設(shè)計更耐用。

也就是說，研究人員并沒有將其作為電池就緒技術(shù)。相反，它是一個很好的例子，說明實驗必要性如何導(dǎo)致一組有趣的新觀察，我們可能會從中學(xué)到很多東西。而且，如果我們幸運的話，它最終將有助于使電池更好。