Nature：利用物理学原理构建性能更优越的电池

哈佛大学的研究人员正在尝试利用物理学原理来解决在设计轻量、大容量电池方面遇到的挑战，并希望以此提高电池的能量密度。

来自哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)物理系的研究人员John A. Paulson开发出了一种可调谐电化学系统，该系统可以在原子层状的二维材料薄片(如石墨烯)之间的空间中存储大量能量。

这项研究成果发表在Nature杂志上。

“我们观察到，通过叠加不同且只有几个原子层厚的材料，我们可以设计出具有更高的电化学容量，从而使混合材料的能量密度增加十倍以上的电池。”该文章的第一作者，SEAS博士后研究员Kwabena Bediako说道。

Bediako目前是加州大学伯克利分校的化学助理教授。

研究人员利用了一种称为范德瓦尔斯力的物理效应，这是基于原子总数和接近度的分子间的弱键物理相互作用，而不是直接的化学相互作用。改进材料的传统技术(例如在锂离子电池中制造更好的电极)仅限于化学和结构上兼容的元素和化合物，如钴和镍。但是，通过尝试利用范德华力将不同材料结合，研究人员发现，他们可以将任何两层材料结合起来，并可以在两层材料之间的“空位”中创造一个新的电化学环境，称为范德华界面。

研究人员通过堆叠氮化硼、石墨烯和二硫代钼(MoX2)层，并在层间注入锂离子。石墨烯提供了一种低阻力的电子通道，从而使MoX2层更有效地抓住锂离子。通过对锂原子所在位置的理论建模，这些实验观测得到了理论建模的验证。理论模型还进一步解释了插入和移除锂原子的机制，这是理解这种构型的材料作为可充电电池功能的关键一步。

Bediako说：“在原子水平上，这种电化学设备不仅仅是其各部分的总和。我们在这些层之间创造了一个独特的电化学环境，我们可以测量、控制和调整它，以便在更长的时间和理想的电压下储存更多的锂离子。”

你能挤进一个空间的锂离子越多，电池的容量就越大；离子越容易出来，电压就越高。

“除了能量储存之外，这种处理和描述分层系统电化学行为的方法为控制二维电子和光电设备的大电荷密度开辟了新途径，” SEAS教授、同时也是这篇论文的通讯作者Philip Kim说道。