關(guān)于電池的討論通常圍繞能量密度。我們想要的是一種能夠以非常小的體積存儲(chǔ)大量能量的電池，優(yōu)選地以不涉及爆炸或火災(zāi)的方式存儲(chǔ)。在研究的最前沿，我們得到的是電池，它們混合了驚人的和非常糟糕的。

坦率地說，與現(xiàn)有的鉛酸電池相比，現(xiàn)代電池是一個(gè)奇跡。然而，與單位質(zhì)量的木材相比，它們每單位質(zhì)量的能量仍然較少。基本上，我們根本沒有將足夠的原子裝入足夠小的體積以與碳?xì)浠衔锔?jìng)爭(zhēng)。但是，現(xiàn)在看來石墨烯-它總是石墨烯-可能有助于鋰的包裝。

無形的金屬

盡管制造鋰離子電池的方法很多，但化學(xué)反應(yīng)可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：鋰以某種形式存儲(chǔ)在一個(gè)電極上。鋰作為離子釋放，在那里它行進(jìn)到另一個(gè)電極并作出反應(yīng)。同時(shí)，完成反應(yīng)的電子通過一個(gè)電極進(jìn)入世界，做一些工作，最后到另一個(gè)電極，在那里完成反應(yīng)。

關(guān)鍵在于鋰通常作為輕質(zhì)低密度碳化鋰儲(chǔ)存。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(gè)主要成分，也是一種非常輕的元素。通過電子顯微鏡觀察時(shí)，它們看起來幾乎相同。這使得很難檢查鋰如何在電極處積聚并且難以看到它在存儲(chǔ)時(shí)形成的結(jié)構(gòu)的變化（或者這些結(jié)構(gòu)在被移除時(shí)如何分離）。

不過，情況比這更糟糕。電子顯微鏡通常使用相當(dāng)高能的電子來產(chǎn)生圖像。電子具有足夠的能量來將碳和鋰原子從被檢查的結(jié)構(gòu)中分離出來。當(dāng)您創(chuàng)建圖像時(shí)，您已經(jīng)破壞了您成像的結(jié)構(gòu)。不理想。

進(jìn)入一組具有透射電子顯微鏡的科學(xué)家，該顯微鏡設(shè)計(jì)用于處理低能電子。顯微鏡仍具有足夠的分辨率來觀察單個(gè)原子，因此可以確定結(jié)構(gòu)。通過檢查電子在通過樣品時(shí)損失了多少能量，研究人員還可以計(jì)算出樣品內(nèi)容。最后，收集圖像所需的時(shí)間足夠短（大約一秒鐘），研究人員可以觀察到電池使用時(shí)結(jié)構(gòu)的堆積和衰減。

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帶（石墨烯是單層石墨烯，碳原子排列成蜂窩狀）。將含有電解質(zhì)的鋰離子團(tuán)放置在石墨烯帶的一端。

沿著色帶放置一系列電極以測(cè)量和設(shè)定電壓。電壓用于將鋰驅(qū)動(dòng)到色帶中并使其再次離開。當(dāng)鋰在帶中累積時(shí)，電阻下降，允許第二組電極檢測(cè)鋰的存在。

研究人員沒有說出來，但我認(rèn)為他們對(duì)發(fā)生的事情感到非常驚訝。鋰在兩個(gè)石墨烯帶之間的間隙中移動(dòng)得非常快。在它們的圖表的規(guī)模上，鋰立即出現(xiàn)在電極之間。從電影來看，它看起來需要大約14s才能行進(jìn)50微米，我覺得這個(gè)速度非常快。

鋰的數(shù)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)鋰沒有像預(yù)期的那樣形成碳化鋰。相反，它形成了多層結(jié)晶鋰，只有最外層與碳結(jié)合。但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。就目前而言，高密度鋰僅在兩片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。實(shí)際上，在缺陷邊緣附近，電子顯微鏡中電子所賦予的能量足以使鋰金屬沸騰。

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周期中會(huì)如所希望的那樣深度擴(kuò)散。很容易想象第一個(gè)鋰離子在一個(gè)塊中積聚，阻止其余的鋰進(jìn)入三明治。

石墨烯在該過程中存活很長(zhǎng)時(shí)間也不確定。這是涉及金屬鋰的電池的主要問題之一：電極在多個(gè)循環(huán)中破壞自身。我們不知道石墨烯是否能比目前的電極設(shè)計(jì)更耐用。

也就是說，研究人員并沒有將其作為電池就緒技術(shù)。相反，它是一個(gè)很好的例子，說明實(shí)驗(yàn)必要性如何導(dǎo)致一組有趣的新觀察，我們可能會(huì)從中學(xué)到很多東西。而且，如果我們幸運(yùn)的話，它最終將有助于使電池更好。