바카라 핀 층 사이의 2 층 알칼리 금속의 가장 가까운 배열 발견

8483_8643바카라 핀의 층 사이에 고밀도로 알칼리 금속을 삽입하는 기술을 개발했으며, 원자의 구조를 직접 관찰하는 데 성공했습니다

2 차 배터리의 성능은 전기 자동차의 마일리지와 스마트 폰 사용 기간에 영향을 미치는 주요 지표 중 하나입니다 2 차 배터리가 더 큰 전기 용량을 저장할 수 있다면 이러한 전자 장치의 성능을 향상시킬 수 있습니다 배터리의 전극 재료입니다흑연바카라 핀의 계층 층이며, 층 사이에 배치 된 알칼리 금속은 전자를 통과하여 충전 및 배출을 유발합니다 바카라 핀 층이 고밀도로 알칼리 금속으로 채울 수 있다면 전기 용량이 향상됩니다

지난 100 년 동안 X- 레이 및 전자 회절 측정은 단일 계층 알칼리 금속 만 바카라 핀 층 사이에 채울 수 있으며 이론적 충전 한계는 각 층의 완벽한 충전으로 간주되었다는 것을 널리 인식했습니다 그러나, 인터레이어 알칼리 금속의 원자 배열을 관찰하고 바카라 핀 층이 단일 층에서 알칼리 금속 원자를 수용 할 수 있는지 또는 다른 기술이 더 높은 밀도 또는 알칼리 금속의 여러 층을 수용 할 수 있는지 여부를 확인하기 위해 연구 보고서가 수행되지 않았다

우리는 바카라 핀 사이의 고밀도로 알칼리 금속을 삽입하는 기술을 개발했습니다 또한 고성능 전자 현미경을 사용하여 층 사이의 알칼리 금속 원자의 배열을 직접 관찰하는 데 성공했습니다 전극으로 널리 사용 된 흑연이지만, 하나의 층 구조만이 형성되지만, 바카라 핀 층 사이의 알칼리 금속은 바카라프 표면의 바카라프 레이어 사이의 독특한 층 간의 유연한 확장 성으로 인해 삽입 될 수있는 2 배의 알칼리 금속이 삽입 될 수있는 2 층 구조로 밀접하게 포장된다는 것을 발견했다 알칼리 금속이 2 층에 삽입 된 바카라 핀을 적층 될 수 있다면, 알칼리 이온 2 차 배터리의 용량을 증가시키기 위해 전극 재료로 사용될 것으로 예상된다

이 기술의 세부 사항은 2024 년 1 월 24 일 (영국 시간)에 제공 될 예정입니다자연 커뮤니케이션"

사람, 상품 및 서비스가 연결된 탈탄화 된 사회와 고도로 정보 사회를 실현하기 위해 전기 자동차 및 정보 장비에 사용되는 2 차 배터리 개발은 일본의 중요한 전략적 문제 중 하나입니다 2 차 배터리의 성능을 향상시키기위한 기본 기술로서 더 가벼운 배터리와 더 큰 용량에 대한 수요가 있습니다 광고 내구성이 뛰어난 전극 재료 중 하나는 층 탄소로 만들어진 흑연입니다 흑연은 리튬과 같은 알칼리 금속 이온 사이에 전자를 보내고 수용하여 하전 및 배출됩니다 2 차 배터리의 용량을 늘리려면 더 많은 알칼리 금속 이온을 전극에 통합하는 것이 중요합니다 이전 측정 및 평가 기술은 원자 수준에서 전극 구조를보기가 어려워 졌으므로 알칼리 금속 이온을 바카라 핀에 삽입하기위한 설계 지침도 매우 제한적이었습니다

AIST는 재료 화학을 기반으로 차세대 고성능 재료를 연구하고 있으며 개발 된 재료의 특성을 밝히는 데 특화된 측정 및 평가 기술을 개발하고 있습니다 에너지 분야에서 연구 및 개발중인 2 차 배터리의 재료에는 광 및 고성능 알칼리 금속이 포함됩니다글라이트 삽입 화합물이 재료는 수년 동안 연구되어 왔으며 최신 배터리 장치에 적용되었습니다 그러나 공기 중에서 쉽게 산화되는 알칼리 금속의 불안정성으로 인해 분석 할 수있는 적용 가능한 측정 및 평가 기술 및 정보가 매우 제한적이었습니다 AIST는 공기에 노출되지 않고 전처리없이 연약한 물질을 관찰 할 수 있습니다저속 전압 스캐닝 전송 전자 현미경 (저속 전압 스템)를 사용하여, 우리는 흑연의 가장 작은 단위 인 바카라 핀 사이에 삽입 된 알칼리 금속의 원자 배열을 성공적으로 분석했습니다 밝혀진 2 층 알칼리 금속 구조는 기존의 흑연 인터레이어 화합물에 비해 2 차 배터리의 충전 용량을 증가시킬 가능성을 시사한다

이 연구 및 개발은 교육, 문화, 스포츠, 과학 및 기술의 학업 변화 영역 연구 (A)의 일부로 수행되었습니다 "25 차원 재료 과학 : 사회 변화로의 재료 과학의 패러다임 전환"(18H03864, 21H05232, 21H05233, 21H05235, 22H05478, 22F2235, 22H05478, 21H05235 23K18878) (지역 대표 : 히로키 전) 및 JST (Japan Science and Technology Agency) 전략적 창의적 연구 촉진 프로젝트 크레스트 "원자력 및 분자 시스템 기능의 자유 배열 및 오리엔테이션 기술"(연구 책임자 Kimizuka Nobuo (JPMJCR20B1))

흑연 전극은 일반적으로 전기 화학적 방법에 의해 바카라 핀 층 사이에 금속 원자를 삽입하기위한 전기 화학적 방법에 의해 만들어집니다 삽입 된 원자의 유형 및 밀도에 따라 흑연 변화의 전자 및 광학적 특성 알칼리 금속이 각 층을 완전히 채울 때, 흑연은 검은 색에서 황금으로 색상을 바꾸어 저온에서 초전도 특성을 나타냅니다

다층 바카라 핀 위에 바카라 핀 층을 관찰하더라도 원자가 겹치기 때문에 원자의 정확한 위치 관계를 분석하기가 어렵습니다 금속이 가장 작은 단위 인 두 층의 바카라 핀에 삽입되면 겹치는 원자가 없으므로 금속과 탄소 원자 사이의 정확한 위치 관계를 알 수 있습니다 (그림 1a)

바카라 핀 층과 금속 사이의 위치 관계를 정확하게 분석하기 위해 Kyushu University의 AGO 실험실에서 합성 된 2 층 바카라 핀이 먼저 TEM 관측 그리드에 고정 된 후 Alkali Metal은 Tokyo Kogei University의 Matsumoto Laboratory에 삽입되었습니다 (그림 1B) 마지막으로 AIST의 최고 연구원 하야시 (Hayashi)는 저속 전압 스템을 사용하여 구조 분석을 수행했습니다

칼륨 (k), 루비듐 (RB) 및 세슘 (CS)이있는 2 층 바카라프 렌의 원자 배열 C₆m₂C₆(M = K, RB, CS)의 화학적 조성을 보여줍니다 (그림 2A-C) 이것은 탄소 원자 당 알칼리 금속의 밀도가 흑연 삽입 화합물 모델에 기초하여 예상보다 두 배가되는 구조에 해당한다 밀도 기능 이론의 계산에 따르면 알칼리 금속의 밀도의 두 배는 2 개의 층으로 분리되어 에너지 적으로 안정적이어야한다는 것을 발견했습니다 알칼리 금속이 하나의 층으로 단단히 채워지면 알칼리 금속은 서로를 격퇴하여 전자기 에너지가 불안정 해집니다 그러나,도 2D 및 E에 도시 된 바와 같이, 금속 원자의 밀도가 두 배나 크고 겹치지 않고 두 층으로 분리 될 때, 에너지 적으로 안정적이된다

고밀도 알칼리 금속 이중층 구조는 20,000 ~ 40,000 대기의 압력에 알칼리 금속입니다육각형 클로즈업 라미네이트 구조(고압 상)에 해당합니다 이 발견은 바카라 핀 간 층이 고압 환경과 비슷하다는 것을 시사한다

바카라 핀 층 사이의 알칼리 금속은 하나 이상의 층과 3 개의 층을 형성하지 않습니다 낮은 알칼리 금속Electronetic다른 원소와 접촉 할 때 전자를주는 경향이 있으며, 바카라 핀 층 사이의 금속의 안정화에 기여합니다 알칼리 금속의 두 층이있는 경우, 두 층 모두 외부 바카라 핀 층으로 전하를 전달할 수 있습니다 3 개 이상의 알칼리 금속이있는 경우 중간 층에서 전하 이동이 발생하지 않으므로 알칼리 금속은 두 층을 사용할 때보 다 활기차게 불안정 해집니다

다층 바카라 핀의 알칼리 금속은 또한 저속 전압 스템을 사용하여 관찰되었다 칼륨에서, 우리는 이중층 바카라 핀의 경우와 같이 5 nm 두께의 다층 바카라 핀을 갖는 육각 구조를 발견 하였다 (도 3A) 단면 이미지로부터 판단하면, 세슘은 흑연의 상부 표면 층 근처에 2 층 구조를 가지고 있으며, 내부에는 단일 층 구조가 있습니다 (그림 3B)

저속 전압 스템을 사용한 관찰에 따르면, 흑연의 표면 층이 2 층 알칼리 금속을 수용 할 수 있도록 유연하게 확장 될 것으로 추측되며, 층 간격의 확장은 바카라프 층 내부에서 깊은 층 내부에서 제한되어 있기 때문에, 층간 된 알칼리 금속은 하나의 층간 금속이 될 수있다 3c)

슬로우 셀레이션 전압 줄기 이미지는 2 층 바카라 핀 및 다층 바카라 핀에서 알칼리 금속의 원자 구조가 각각 2 층 및 1 층 구조 사이에서 상이 함을 보여준다 흑연 표면층의 유연한 스프레드는 알칼리 금속 원자의 두 층을 수용 할 수 있음을 시사한다

리튬과 나트륨은 광 원소이므로 저속 전압 스템에서 관측이 어렵습니다 우리는 측정 방법을 조사하고 2 층 바카라 핀 및 다층 바카라 핀에 삽입 된 광 알칼리 금속의 원자 배열을 관찰하려고 노력할 것입니다 또한,이 실험은 배터리의 전기 화학 삽입 메커니즘과 다른 기체 위상 삽입을 사용하기 때문에 실제 배터리 기능을 모방하고 전기 화학적 이온 이동을 명확히하여 STEM을 사용하여 배터리 열화의 원인을 명확히하기를 희망합니다

게시 된 잡지 :Nature Communications
논문의 제목 : 바카라 핀의 알칼리 금속 이중층 삽입
저자 : Yung-Chang Lin, Rika Matsumoto, Qiunan Liu, Pablo Solís-Fernadez, Ming-Deng Siao, Po-Wen Chiu, Hiroki 전, Kazu Suenaga
doi : doiorg/101038/S41467-023-44602-3

바카라 핀

육각형 격자에 배열 된 탄소 원자를 갖는 플레이트 형 재료는 우수한 전기 전도성을 나타냅니다 이 발견은 Andre Geim 박사와 Konstantin Novoselov 박사가 2010 년 노벨 물리학 상을 받았습니다[참조로 돌아 가기]

흑연

층화 된 바카라 핀 시트로 만든 다층 탄소 화합물 2 차 배터리의 음의 전극 재료로 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

Glaphite intercalation 화합물

분자와 이온이 흑연 층 사이에 삽입되는 화합물[참조로 돌아 가기]

저속 전압 스캐닝 전송 전자 현미경 (저속 전압 스템)

15 kV ~ 60kV의 가속 전압에서 작동하는 변속기 전자 현미경 중 하나 이 장치는 포커싱 렌즈를 사용하여 샘플에서 얇게 좁은 전자 빔 프로브를 스캔하고 각 지점에서 전송 된 전자를 감지하여 이미지를 얻습니다 가속기 전압을 낮추면 탄소 재료와 같은 샘플로 인한 전자 빔의 손상을 줄일 수 있습니다 또한 표면에 대한 자세한 정보와 재료의 내부 구조 및 구성을 제공합니다[참조로 돌아 가기]

육각형 클로즈업 라미네이트 구조

| 원자와 분자가 6 개의 인접한 정점이있는 육각형 패턴으로 쌓이는 구조를 나타냅니다[참조로 돌아 가기]

Electronetic

원자가 전자를 끌어들이는 힘의 척도를 나타냅니다 알칼리 금속과 같은 요소는 전기 음성이 낮고 전자를 유치하는 능력이 낮은 경향이 있습니다 전기 음성 성은 공유 및 이온 결합과 같은 화학 반응 및 물질의 특성과 관련된 중요한 요소입니다[참조로 돌아 가기]