Forskare vid AIST har i samarbete med Osaka University, Tokyo Polytechnic University, Kyushu University och National Tsing Hua University utvecklat en teknik för att infoga alkalimetaller i mellanskikten av grafen, som är ett enda lager av kolatomer ordnade i ett hexagonalt gitter . De har lyckats direkt observera atomarrangemanget av de insatta alkalimetallatomerna som är en hexagonal tätpackad dubbelskiktsstruktur.
Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Uppladdningsbara batteriers prestanda är en nyckelfaktor som påverkar körsträckan för elfordon och användningstiden för smartphones. Det är möjligt att förbättra prestandan hos dessa elektroniska enheter om laddningsbara batterier kan ackumulera större elektrisk kapacitet.
Grafit, elektrodmaterialet som används i batterier, är sammansatt av flera lager av grafen, med alkalimetaller placerade mellan lagren för att underlätta flödet av elektroner under laddning och urladdning. Att uppnå en hög densitet av lagring av alkalimetaller mellan grafenskikten kan öka den elektriska kapaciteten.
Under de senaste hundra åren har det varit allmänt erkänt genom röntgen- och elektrondiffraktionsmätningar att grafenmellanskikt endast kan ta emot ett enda lager av alkalimetall. Varje lager som är helt fyllt av enskikts alkalimetallatomer anses vara den teoretiska laddningsgränsen.
Det har dock inte funnits några rapporter om studier som direkt observerar atomarrangemanget av alkalimetaller mellan skikten och verifierar om grafenskikt endast kan ta emot ett enda skikt av alkalimetallatomer eller om andra tekniker kan uppnå högre densitet eller flera skikt av alkalimetaller.
Forskargruppen utvecklade en teknik för att infoga täta alkalimetaller mellan grafenlager. Genom att använda ett högpresterande lågspännings (60 kV) elektronmikroskop har de framgångsrikt observerat arrangemangets struktur av alkalimetallatomer mellan grafenskikten. Alkalimetallerna finns tätt packade i en tvåskiktsstruktur i både tvåskiktsgrafen och i ytskiktsgrafiten på grund av den flexibla förlängningsförmågan hos deras mellanskikt.
Detta gör att ungefär dubbelt så många alkalimetaller kan infogas. Om grafen med två lager av alkalimetallinsättning kan staplas, förväntas det fungera som ett elektrodmaterial som ökar kapaciteten hos sekundära alkaliska jonbatterier.
Mer information: Yung-Chang Lin et al, Alkali metall dubbellager intercalation i grafen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44602-3
Tillhandahålls av Advanced Industrial Science and Technology
