超顯微鏡觀察到鋰離子在雙層石墨烯中遷移

德國斯圖加特馬普固態(tài)研究所和烏爾姆大學(xué)的科學(xué)家使用超顯微鏡(SALVE)，觀察到以原子分辨率顯示的鋰離子在電化學(xué)充放電過程中的表現(xiàn)，證明了在單個(gè)納米電池中雙層石墨烯發(fā)生的可逆鋰離子吸收。研究成果發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

斯圖加特馬普固態(tài)研究所物理學(xué)家于爾根·斯邁特介紹說，研究顯示“純碳化合物最適合用于鋰基電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，鋰暫時(shí)儲(chǔ)存在碳主體中”。

這一項(xiàng)目由巴符州基金會(huì)資助，目的是研究鋰在二維碳化合物(如原子水平的石墨烯)中的儲(chǔ)存和擴(kuò)散。為此，斯邁特和他的博士生開發(fā)了一種由雙層石墨烯組成的“微型電池”。石墨烯屬于二維材料，由單個(gè)碳原子層組成。在只有0.3納米薄的細(xì)長電化學(xué)微電池的一端，研究人員在頂部施加了溶解有鋰鹽的電解質(zhì)液滴。為使電解質(zhì)不干擾電子顯微照片，實(shí)驗(yàn)必須精確定位和機(jī)械穩(wěn)定，他們采用了一種技巧，即添加了在紫外線下固化的聚合物，使液滴成為凝膠狀固體留在原處。

實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)電壓施加到納米電池時(shí)，鋰離子從電解質(zhì)液滴遷移到石墨烯雙層的間隙中，并在那里積聚;去除電位差時(shí)，累積儲(chǔ)存的鋰又溶解并遷移回到電解質(zhì)液滴中。

在原子水平上，這種過程很難被“原位”觀察。烏爾姆大學(xué)烏特·凱瑟教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用超顯微鏡首次證明了石墨烯在原子水平上的嵌入。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓研究人員感到吃驚，傳統(tǒng)的石墨基電池只有少數(shù)緊密堆積的鋰在兩層碳層之間，而在石墨烯納米電池里發(fā)現(xiàn)非常密集的鋰層。凱瑟教授稱，超顯微鏡為理解納米電池提供了獨(dú)特的途徑，能在石墨烯夾層中觀察鋰等輕元素的擴(kuò)散是一項(xiàng)巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡(TEM)做不到。