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

斯圖加特馬普固態研究所物理學家于爾根·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存儲系統，在此系統中，鋰暫時儲存在碳主體中”。

這一項目由巴符州基金會資助，目的是研究鋰在二維碳化合物(如原子水平的石墨烯)中的儲存和擴散。為此，斯邁特和他的博士生開發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，由單個碳原子層組成。在只有0.3納米薄的細長電化學微電池的一端，研究人員在頂部施加了溶解有鋰鹽的電解質液滴。為使電解質不干擾電子顯微照片，實驗必須精確定位和機械穩定，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。

實驗顯示，當電壓施加到納米電池時，鋰離子從電解質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，累積儲存的鋰又溶解并遷移回到電解質液滴中。

在原子水平上，這種過程很難被“原位”觀察。烏爾姆大學烏特·凱瑟教授領導的團隊利用超顯微鏡首次證明了石墨烯在原子水平上的嵌入。

實驗結果讓研究人員感到吃驚，傳統的石墨基電池只有少數緊密堆積的鋰在兩層碳層之間，而在石墨烯納米電池里發現非常密集的鋰層。凱瑟教授稱，超顯微鏡為理解納米電池提供了獨特的途徑，能在石墨烯夾層中觀察鋰等輕元素的擴散是一項巨大的科學挑戰，傳統的透射電子顯微鏡(TEM)做不到。

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