集流體?銅箔。最普通的電解銅箔。
正極?磷酸鐵鋰(lifepo4)。穩定,安全,雖能量密度不是最高,但足夠經典,也足夠“接地氣”。
電解液?常規的鋰鹽碳酸酯溶液。
隔膜?普通的聚烯烴多孔膜。
一個念頭如同閃電劈開混沌:為什么一定要追求極致的能量密度或循環壽命,在一開始?為什么不先構建一個最簡單、最透明、所有變量都盡可能原始和可控的“模型電池”?
這個“模型電池”的目的,不是為了性能,甚至不是為了證明石墨烯作為負極主材料的可行性(那需要解決太多工程難題)。它的目的,是作為一個極度簡化的、近乎“理想化”的物理模型,去原位觀測鋰離子在近乎二維的石墨烯層間(以及層與層那微小但存在的間隙中)的嵌入、遷移、相變行為,尤其是在大電流、快速充放電的非平衡瞬態過程中!
他猛地坐直身體,眼睛在鏡片后驟然亮起,那光芒銳利得幾乎灼人。疲憊和懷疑被瞬間迸發的思維火花燒蝕殆盡。是了!他一直在用復雜的陶瓷體系去捕捉虛無縹緲的“瞬態窗口”,卻忽略了,也許需要先在一個結構極度簡單、界面相對清晰的模型體系里,建立對“非平衡態離子輸運”最基本的觀測范式和物理圖像!
石墨烯-鋰離子體系,負極是sp2雜化碳構成的二維平面,正極是橄欖石結構的磷酸鐵鋰,電解液是相對簡單的有機溶劑和鋰鹽。所有材料的本征性質、界面反應、乃至可能的副反應,都有海量的、相對成熟的研究基礎。在這個“透明”的體系里,任何異常的信號――比如,在快速鋰化脫鋰過程中,石墨烯層間可能出現的、短暫的結構漲落(是否類似于他之前設想的那種“晶格呼吸”?),或者鋰離子在二維通道中遷移時表現出的、偏離經典擴散理論的異常行為都將變得格外清晰,更容易被歸因和分析。
這就像一位天文學家,不再試圖直接用簡陋的望遠鏡去發現遙遠星系的新星,而是轉而先在地面上,用最純凈的光源和最精密的探測器,建立一個完美的光譜分析模型。
這個想法瘋狂嗎?瘋狂。用石墨烯直接做負極主體,面臨sei膜不穩定、首次庫倫效率低、體積膨脹、與電解液副反應等諸多挑戰,在實用化角度幾乎是一條死路。但對于王誠此刻的目標,建立一個用于基礎物理研究的、高度簡化的非平衡態離子輸運觀測模型,這些“缺點”反而可能成為凸顯物理過程的“特征信號”。
他的手指開始微微顫抖,不是因為疲憊,而是因為一種混合著巨大興奮和驟然降臨的清晰感的戰栗。他抓過旁邊一疊空白的草稿紙,拔開筆帽,筆尖幾乎要戳破紙面。
沒有復雜的公式開場,他直接在紙面中央畫了一個簡單的矩形,代表電池。然后,飛快地勾勒出層狀的石墨烯負極、多孔的隔膜、磷酸鐵鋰正極顆粒。在旁邊標注材料:負極―石墨烯(cvd生長或氧化還原法,盡可能少缺陷)、粘結劑―cmcsbr、集流體―cu;正極―lifepo4(商業粉末)、粘結劑―pvdf、集流體―al;電解液―1mlipf6inecdmc;隔膜―celgard2400。
接著,他畫出充放電曲線預期的形狀,但在某些區域打上巨大的問號,并引出箭頭:“此處,大電流脈沖下,電壓平臺異常波動?對應石墨階結構轉變動力學?鋰離子在二維受限空間內的遷移‘擁堵’效應?暫態相形成?”
另一張紙,他開始設計原位表征的思路:如何將這種簡易的“模型電池”與電化學工作站、甚至與拉曼光譜儀、x射線衍射儀聯用,在充放電的同時,實時監測石墨烯層間距的微小變化、碳原子振動模式的變化、以及可能出現的、代表瞬態應力或結構無序的新信號。_c