Forskere opdager det tætteste arrangement af dobbeltlags alkalimetaller mellem grafenlag

Forskere ved AIST har i samarbejde med Osaka University, Tokyo Polytechnic University, Kyushu University og National Tsing Hua University udviklet en teknik til at indsætte alkalimetaller i mellemlagene af grafen, som er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter . Det er lykkedes dem direkte at observere atomarrangementet af de indsatte alkalimetalatomer, som er en sekskantet tætpakket dobbeltlagsstruktur.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Ydeevnen af ​​genopladelige batterier er en nøglefaktor, der påvirker køreafstanden for elektriske køretøjer og brugstiden for smartphones. Det er muligt at forbedre ydeevnen af ​​disse elektroniske enheder, hvis genopladelige batterier kan akkumulere større elektrisk kapacitet.

Grafit, elektrodematerialet, der bruges i batterier, er sammensat af flere lag af grafen, med alkalimetaller placeret mellem lagene for at lette strømmen af ​​elektroner under op- og afladning. Opnåelse af en høj tæthed af alkalimetallagring mellem grafenlag kan øge den elektriske kapacitet.

I de sidste hundrede år er det blevet almindeligt anerkendt gennem røntgen- og elektrondiffraktionsmålinger, at grafenmellemlag kun kan rumme et enkelt lag alkalimetal. Hvert lag, der er fuldt udfyldt af enkeltlags alkalimetalatomer, betragtes som den teoretiske opladningsgrænse.

Der har dog ikke været rapporter om undersøgelser, der direkte observerer atomarrangementet af mellemlags alkalimetaller og verificerer, om grafenlag kun kan rumme et enkelt lag af alkalimetalatomer, eller om andre teknikker kan opnå højere tæthed eller flere lag af alkalimetaller.

Forskerholdet udviklede en teknik til at indsætte tætte alkalimetaller mellem grafenlag. Ved at bruge et højtydende lavspændings (60 kV) elektronmikroskop har de med succes observeret arrangementstrukturen af ​​alkalimetalatomer mellem grafenlagene. Alkalimetallerne findes tæt pakket i en tolagsstruktur i både tolagsgrafen og i overfladelagets grafit på grund af den fleksible forlængelsesevne af deres mellemlagsafstand.

Dette gør det muligt at indsætte cirka dobbelt så mange alkalimetaller. Hvis grafen med to lag alkalimetalindføring kan stables, forventes det at tjene som et elektrodemateriale, der forbedrer kapaciteten af ​​sekundære alkaline-ionbatterier.

Flere oplysninger: Yung-Chang Lin et al., Alkali-metal-dobbeltlagsinterkalation i grafen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44602-3

Leveret af Advanced Industrial Science and Technology