Wetenschap
Onderzoekers ontdekken de nauwste rangschikking van dubbellaagse alkalimetalen tussen grafeenlagen
Onderzoekers van AIST hebben, in samenwerking met de Universiteit van Osaka, de Polytechnische Universiteit van Tokio, de Kyushu Universiteit en de Nationale Tsing Hua Universiteit, een techniek ontwikkeld om alkalimetalen in de tussenlagen van grafeen in te brengen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster . Ze zijn erin geslaagd de atomaire rangschikking van de ingevoegde alkalimetaalatomen direct waar te nemen, wat een hexagonale, dicht opeengepakte dubbellaagse structuur is.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .
De prestaties van oplaadbare batterijen zijn een sleutelfactor die de rijafstand van elektrische voertuigen en de gebruikstijd van smartphones beïnvloedt. Het verbeteren van de prestaties van deze elektronische apparaten is mogelijk als oplaadbare batterijen een grotere elektrische capaciteit kunnen accumuleren.
Grafiet, het elektrodemateriaal dat in batterijen wordt gebruikt, bestaat uit meerdere lagen grafeen, waarbij tussen de lagen alkalimetalen zijn geplaatst om de elektronenstroom tijdens het opladen en ontladen te vergemakkelijken. Het bereiken van een hoge dichtheid van alkalimetalenopslag tussen grafeenlagen zou de elektrische capaciteit kunnen vergroten.
De afgelopen honderd jaar is door röntgen- en elektronendiffractiemetingen algemeen erkend dat tussenlagen van grafeen slechts één enkele laag alkalimetaal kunnen bevatten. Elke laag die volledig gevuld is met enkellaagse alkalimetaalatomen wordt beschouwd als de theoretische oplaadlimiet.
Er zijn echter geen studies gepubliceerd waarin de atomaire rangschikking van alkalimetalen tussen de lagen rechtstreeks wordt waargenomen en wordt geverifieerd of grafeenlagen slechts één laag alkalimetaalatomen kunnen bevatten of dat andere technieken een hogere dichtheid of meerdere lagen alkalimetalen kunnen bereiken. P>
Het onderzoeksteam ontwikkelde een techniek om dichte alkalimetalen tussen grafeenlagen in te brengen. Met behulp van een hoogwaardige elektronenmicroscoop met lage spanning (60 kV) hebben ze met succes de rangschikkingsstructuur van alkalimetaalatomen tussen de grafeenlagen waargenomen. De alkalimetalen worden dicht op elkaar gepakt aangetroffen in een tweelaagse structuur in zowel dubbellaags grafeen als in de oppervlaktelaag grafiet vanwege het flexibele rekvermogen van de afstand tussen de lagen.
Hierdoor kunnen ongeveer twee keer zoveel alkalimetalen worden ingebracht. Als grafeen met twee lagen alkalimetaal kan worden gestapeld, wordt verwacht dat het zal dienen als elektrodemateriaal dat de capaciteit van secundaire alkali-ionbatterijen vergroot.