超显微镜观察到锂离子在双层石墨烯中迁移

2018-12-03 14:26

德国斯图加特马普固态研究所和乌尔姆大学的科学家使用超显微镜（SALVE），观察到以原子分辨率显示的锂离子在电化学充放电过程中的表现，证明了在单个纳米电池中双层石墨烯发生的可逆锂离子吸收。研究成果发表在最新一期的《自然》杂志上。

斯图加特马普固态研究所物理学家于尔根·斯迈特介绍说，研究显示“纯碳化合物最适合用于锂基电化学存储系统，在此系统中，锂暂时储存在碳主体中”。

这一项目由巴符州基金会资助，目的是研究锂在二维碳化合物（如原子水平的石墨烯）中的储存和扩散。为此，斯迈特和他的博士生开发了一种由双层石墨烯组成的“微型电池”。石墨烯属于二维材料，由单个碳原子层组成。在只有0．3纳米薄的细长电化学微电池的一端，研究人员在顶部施加了溶解有锂盐的电解质液滴。为使电解质不干扰电子显微照片，实验必须精确定位和机械稳定，他们采用了一种技巧，即添加了在紫外线下固化的聚合物，使液滴成为凝胶状固体留在原处。

实验显示，当电压施加到纳米电池时，锂离子从电解质液滴迁移到石墨烯双层的间隙中，并在那里积聚；去除电位差时，累积储存的锂又溶解并迁移回到电解质液滴中。

在原子水平上，这种过程很难被“原位”观察。乌尔姆大学乌特·凯瑟教授领导的团队利用超显微镜首次证明了石墨烯在原子水平上的嵌入。

实验结果让研究人员感到吃惊，传统的石墨基电池只有少数紧密堆积的锂在两层碳层之间，而在石墨烯纳米电池里发现非常密集的锂层。凯瑟教授称，超显微镜为理解纳米电池提供了独特的途径，能在石墨烯夹层中观察锂等轻元素的扩散是一项巨大的科学挑战，传统的透射电子显微镜（TEM）做不到。

总编辑圈点

石墨烯是二维材料家族中最出名的。2004年英国科学家制备出这种由单层碳原子构成的超薄片，后来获得2010年诺贝尔物理学奖。自那以后，二维材料迎来研发热潮，由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等不断被开发出来。令人称奇的是，同一种物质，从传统的三维世界进入二维国度后，便出现许多极为独特的物理、化学性质。期待二维材料能为新一代电子元器件和电池的开发带来新的可能。