曼彻斯特大学的一个科学家小组在了解由两层碳原子组成的最薄电池阳极的锂离子存储方面取得了重大突破。他们发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究显示，在双层石墨烯的锂插层过程中出现了意想不到的 “in-plane staging”过程，这可能为能源存储技术的进步铺平道路。
从智能手机、笔记本电脑到电动汽车，锂离子电池都是通过一种称为离子插层的过程来储存能量的。这涉及到当电池充电时，锂离子在石墨层（一种传统上用于电池阳极的材料）之间滑动。插入并随后提取的锂离子越多，电池存储和释放的能量就越大。虽然这一过程众所周知，但其微观细节仍不清楚。曼彻斯特研究小组的发现通过聚焦双层石墨烯为这些细节提供了新的线索，双层石墨烯是可能的最小电池阳极材料，仅由两个碳原子层组成。
在实验中，研究人员用双层石墨烯取代了典型的石墨负极，并观察了锂离子在插层过程中的行为。令人惊讶的是，他们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，这一过程分为四个不同的阶段，锂离子在每个阶段都有序地排列。每个阶段都会形成密度越来越大的六边形锂离子晶格。
领导研究小组的伊琳娜-格里戈里耶娃教授评论说：’in-plane staging’的发现完全出乎意料。它揭示了锂离子晶格与石墨烯晶格之间的合作程度比以前想象的要高得多。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能量存储的新材料开辟了新途径。
研究还发现，双层石墨烯虽然提供了新的见解，但与传统石墨相比，其锂存储能力较低。这是由于带正电的锂离子之间的相互作用屏蔽效果较差，导致斥力较强，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，以增强屏蔽效应，并有可能在未来提高存储容量。
这项开创性的研究不仅加深了我们对锂离子插层的理解，还为开发更高效、更可持续的能源存储解决方案奠定了基础。随着人们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。
In-plane staging in lithium-ion intercalation of bilayer graphene
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51196-x
英国国家石墨烯研究院（NGI）是世界领先的石墨烯和二维材料中心，专注于基础研究。曼彻斯特大学是 Andre Geim 爵士和 Kostya Novoselov 爵士于 2004 年首次剥离出石墨烯的地方。与这些专业知识相匹配的是价值 1300 万英镑的尖端设施，如全球学术界最大的 5 级和 6 级洁净室，这使得 NGI 有能力推进关键领域的基础工业应用，包括：复合材料、功能膜、能源、绿色氢膜、超高真空二维材料、纳米医学、基于二维的印刷电子学和表征。
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