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曼彻斯特大学揭示最薄锂离子电池的储能机制可优化锂离子电池储能

盖世汽车钟群 2024-09-11 19:00:00

盖世汽车讯据外媒报道，曼彻斯特大学（University of Manchester）的科学家团队在了解最薄电池负极（仅由两层碳原子组成）内的锂离子存储方面取得了重大突破。该研究团队发表在期刊《自然通讯》（Nature Communications）上的研究表明，在双层石墨烯的锂插层过程中，出现了意想不到的“平面内分段（in-plane staging）”现象，这一发现可能为储能技术的进步铺平道路。

图片来源：《Nature Communications》

锂离子电池为从智能手机、笔记本电脑到电动汽车的各种设备供电，其能量储存过程被称为离子插层（ion intercalation）。这一过程包括在电池充电时，锂离子嵌入石墨层（通常用于电池的负极材料）之间。嵌入并随后提取的锂离子越多，电池可储存和释放的能量就越多。虽然这一过程已被广泛研究，但其微观细节仍不明确。曼彻斯特研究团队的发现通过关注双层石墨烯（一种仅由两层碳原子组成的最小的电池负极材料）为这些细节提供了新的线索。

在实验中，研究人员用双层石墨烯代替了典型的石墨负极，并观察了锂离子在插层过程中的反应。令人惊讶的是，研究人员发现锂离子并不是一次性或随机地在两层石墨烯之间插层。相反，该过程分为四个不同的阶段，锂离子在每个阶段都以有序的方式排列。每个阶段都会形成逐渐密集的锂离子六方晶格。

领导该研究团队的Irina Grigorieva教授评论道：“‘平面内分段’的发现完全出乎意料。它揭示了锂离子晶格和石墨烯晶格之间的合作程度要比我们以前设想的高得多。这种对原子级插层过程的理解为优化锂离子电池以及探索增强储能的新材料开辟了新途径。”

该研究还表明，双层石墨烯虽然提供了新的见解，但与传统石墨相比，其锂存储容量较低。这是由于带正电荷的锂离子之间的相互作用屏蔽效果较差，导致斥力较强，从而使离子之间的距离较远。虽然这表明双层石墨烯的存储容量可能不会高于块状石墨，但发现其独特的插层过程是该领域向前迈出的关键一步。它还暗示了原子薄金属的潜在用途，以增强屏蔽效果，并可能在未来提高存储容量。

这项开创性的研究不仅加深了研究人员对锂离子插层的理解，也为开发更高效、更可持续的储能解决方案奠定了基础。随着对更好电池的需求不断增长，这项研究成果将在下一代储能技术的发展中发挥关键作用。

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