突破智能設備的最後一道門檻 石墨烯有望在電池領域發揮大作用

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電池在電子產品中是相當重要的一部分，電池的衡量標準一般是能量密度，我們在不斷研發能夠在非常小的體積內儲存大量能量的電池，同時也要很安全，不會爆炸什麼的。不過我們現在的相比於老式的鉛酸蓄電池已經好很多了。不過它們每單位質量所含的能量仍然少於同等質量的木材。從本質上說，我們沒有把足夠多的原子壓縮到足夠小的體積里，不過最近的一項新研究，石墨烯可能有助於鋰的填充。

雖然製造鋰離子電池的方法有很多種，但其化學原理可以歸結為：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，到達另一個電極並發生反應。與此同時，完成反應的電子通過一個電極進入做功，最後到達另一個電極，完成反應。問題的關鍵就在於鋰通常以輕質低密度碳化鋰的形式儲存，電池研究遇到的一大問題就是增加鋰密度來增加電池容量。鋰是一種非常輕的元素。

碳是組成電池的另一種主要成分，也是一種非常輕的元素，電子顯微鏡下看，幾乎看不出分別。同樣這也讓研究鋰在電極上如何形成變得很困難，也很難看到鋰在儲存過程中形成的結構的變化以及結構分解。電子顯微鏡的成像原理不能很好地觀察碳原子和鋰原子的結構。

科學家用透射電子顯微鏡來研究低能電子，顯微鏡有足夠的解析度來觀察單個原子，可以確定其結構。通過檢測電子在通過樣品時損失了多少能量，研究人員可以計算出樣品的含量，研究人員還可以觀察電池使用過程中的電子結構的建立。

透射電鏡要求電子通過樣品，所以碳鋰層必須非常薄。研究人員選擇了石墨烯雙層的帶狀結構(石墨烯是碳原子排列成蜂窩狀的單層石墨烯)，一團含電解質鋰離子放置在石墨烯帶的一端。

沿著電極帶放置了一系列電極來測量和設置電壓，電壓驅動鋰離子進入帶狀帶，當鋰離子在帶狀區域積聚時，電阻下降。結果是，鋰在兩個石墨烯帶之間的間隙中移動非常迅速。視頻里看，50微米的距離大概僅需14秒，速度快得驚人。還有，通過檢查結構和元素組成，研究人員發現，鋰並沒有像預期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成了多層晶體鋰，最外層與碳結合。但是金屬鋰並不是它一般的存在形式，鋰形成了在低溫或高壓下存在的高密度態。

最讓研究成果還不錯，但還不能高興太早，因為，高密度鋰對石墨烯有很高的要求，那種從製造商那裡可以買到的石墨烯達不到要求。即使我們能得到大量高質量的雙層石墨烯片，也不能確定鋰在充電過程中是否會擴散到所需的深度。石墨烯能留存多久也不確定，還有一個重要問題，電極在多次循環中損毀的問題。不過這次實驗我們從中也學到很多東西，相信新電池終究會研發成功。

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