關于電池的討論通常圍繞能量密度。我們想要的是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的方式存儲。在研究的最前沿，我們得到了令人驚訝和非常糟糕的混合電池。

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，它們每單位質(zhì)量的能量仍然比單位質(zhì)量木材少?；旧?，我們沒有將足夠的原子放入足夠小的體積來與碳氫化合物競爭。但現(xiàn)在看來，石墨烯-總是石墨烯-可能有助于鋰的包裝。

無形的金屬

雖然制造鋰離子電池的方法很多，但化學反應可歸納如下：鋰以某種形式存儲在一個電極上。鋰作為離子釋放，在那里它傳播到另一個電極并作出反應。同時，完成反應的電子通過一個電極進入世界，做一些工作，最后到達反應完成的另一個電極。

關鍵是鋰通常儲存為輕質(zhì)低密度碳化鋰。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組成部分，也是一種非常輕的元素。當用電子顯微鏡觀察時，它們看起來幾乎相同。這使得難以檢查鋰如何積聚在電極上并且難以看到它在儲存期間形成的結(jié)構(gòu)的變化（或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時如何分離）。

但情況要糟糕得多。電子顯微鏡通常使用相對高能量的電子來產(chǎn)生圖像。電子具有足夠的能量來將碳和鋰原子與被檢查的結(jié)構(gòu)分離。創(chuàng)建圖像時，您已經(jīng)破壞了圖像的結(jié)構(gòu)。不理想。

進入一組科學家，他們的透射電子顯微鏡是為低能電子設計的。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樣品含量。最后，收集圖像所需的時間足夠短（大約一秒鐘），研究人員可以觀察電池使用過程中結(jié)構(gòu)的累積和衰減。

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（石墨烯是單層石墨烯，碳原子排列成蜂窩狀）。含有電解質(zhì)的鋰離子簇置于石墨烯帶的一端。

沿著色帶放置一系列電極以測量和設置電壓。電壓用于將鋰驅(qū)動到色帶中并使其再次離開。隨著鋰在帶中累積，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?？?。在它們的圖表的規(guī)模上，鋰立即出現(xiàn)在電極之間。從電影的角度來看，似乎需要大約14s才能行進50微米，我覺得這個速度非?？?。

鋰的量也非常令人驚訝。通過檢查結(jié)構(gòu)和元素組成，研究人員發(fā)現(xiàn)鋰不像預期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成多層結(jié)晶鋰，僅最外層與碳結(jié)合。然而，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。首先，高密度鋰僅在兩種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。事實上，在缺陷邊緣附近，電子顯微鏡中的電子提供足夠的能量來沸騰鋰金屬。

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循環(huán)期間會如期望的那樣擴散。很容易想象第一個鋰離子在一個區(qū)塊中積聚，防止其余的鋰進入三明治。

目前尚不確定石墨烯能否在此過程中存活很長時間。這是涉及鋰金屬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比目前的電極設計更耐用。

換句話說，研究人員并未將其用作電池就緒技術(shù)。相反，它是實驗必要性如何導致一系列有趣的新觀察的一個很好的例子，我們可以從中學到很多東西。而且，如果我們幸運的話，它最終將有助于使電池更好。