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，與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，現(xiàn)代電池是一個奇跡。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，現(xiàn)在看來，石墨烯——可能有助于鋰的填充。

看不見的金屬

盡管制造鋰離子電池的方法有很多，但其化學原理可以歸結(jié)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(fā)生反應(yīng)。與此同時，完成反應(yīng)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(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存過程中形成的結(jié)構(gòu)變化(或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時是如何分解的)。

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成像。電子有足夠的能量把碳原子和鋰原子從被檢測的結(jié)構(gòu)中撞出來。當你創(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入一組科學家的隊伍，該顯微鏡被設(shè)計用于研究低能電子。顯微鏡仍然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(大約1秒)，研究人員可以觀察到電池使用時結(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含有電解質(zhì)的鋰離子。

沿著色帶放置了一系列電極來測量和設(shè)置電壓。電壓被用來驅(qū)動鋰進入色帶并允許它再次離開。當鋰離子在帶狀結(jié)構(gòu)中積累時，電阻下降，使得第二組電極能夠檢測到鋰離子的存在。

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移動得相當快。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(jié)構(gòu)和元素組成，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰并沒有像預(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(tài)，這種狀態(tài)通常在低溫或高壓下才會出現(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像所需那樣擴散得那么深。很容易想象第一個鋰離子聚集成一團，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。這是金屬鋰電池的主要問題之一:電極會在多次循環(huán)中自我破壞。我們不知道石墨烯的使用壽命是否會超過目前的電極設(shè)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(shù)來展示。相反，它是一個很好的例子，說明了實驗的必要性如何導致了一組有趣的新觀察結(jié)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。