第一作者：M. Kühne, F. B?rrnert
通訊作者：Jurgen H. Smet, Ute Kaiser,
通訊單位：德國馬普固體研究所、德國烏爾姆大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 實(shí)現(xiàn)了低壓原位TEM對雙層石墨烯中鋰離子可逆插層和排列的實(shí)時觀測。
2. 發(fā)現(xiàn)了鋰原子在雙層石墨烯片層中間形成多層超致密的密堆積有序結(jié)構(gòu)，有利于更大的鋰儲存容量。
為什么要研究這個課題？
碳材料是最常用的鋰離子可逆插層宿主材料之一，為為電化學(xué)儲能奠定了基礎(chǔ)。然而，工作狀態(tài)下鋰在這些碳宿主材料上的排列，鮮為人知，而這恰恰又是深入理解電化學(xué)儲能機(jī)理，提高電化學(xué)儲能性能的重要參考。
難點(diǎn)在哪里？
原位TEM特別不適合輕質(zhì)元素，尤其是Li的表征。主要是因?yàn)長i元素的低散射橫截面不利于接收電子，而且鋰元素極易受到電子撞擊導(dǎo)致?lián)p傷。
成果簡介
有鑒于此，德國德國馬普固體研究所Jurgen H. Smet團(tuán)隊和德國烏爾姆大學(xué)Ute Kaiser團(tuán)隊發(fā)展了一種低壓原位TEM，實(shí)現(xiàn)了對雙層石墨烯中鋰離子可逆插層和排列的實(shí)時觀測。
圖1. 器件示意圖和工作原理
研究人員以又長又窄的雙層石墨烯片層為研究對象，在電化學(xué)電池遠(yuǎn)程插層中發(fā)現(xiàn)，鋰原子在雙層石墨烯片層中間形成多層超致密的密堆積有序結(jié)構(gòu)。這表明，這種超致密有序結(jié)構(gòu)使得鋰儲存容量遠(yuǎn)超LiC6結(jié)構(gòu)，而LiC6是目前為止在體相石墨中觀測到的最致密的結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊利用球差和色差矯正實(shí)現(xiàn)對比度和分辨率的提高，顯微鏡測試結(jié)果與EELS和DFT計算保持一致。
總之，這項研究揭示了一種全新的鋰離子儲存機(jī)理，表明了二維材料在提高鋰電池容量方面的巨大優(yōu)勢。
圖2. 原位TEM測試
圖3. DFT計算
圖4. Li晶體生長
參考文獻(xiàn)：
M. Kühne, F. B?rrnert, Ute Kaiser, JurgenH. Smet et al. Reversible superdense ordering of lithium between two graphenesheets. Nature 2018.
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0754-2
