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Lithium Intercalation in Bilayer Graphene Devices (eBook)

(Autor)

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2018 | 1st ed. 2018
XVI, 116 Seiten
Springer International Publishing (Verlag)
978-3-030-02366-9 (ISBN)

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Lithium Intercalation in Bilayer Graphene Devices - Matthias Kühne
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This book reports on the successful implementation of an innovative, miniaturized galvanic cell that offers unprecedented control over and access to ionic transport. It represents a milestone in fundamental studies on the diffusive transport of lithium ions between two atomically thin layers of carbon (graphene), a highly relevant aspect in electrodes for energy and mass storage in the context of batteries. Further, it is a beautiful example of how interdisciplinary work that combines expertise from two very distinct fields can significantly advance science. Machinery and tools common in the study of low-dimensional systems in condensed matter physics are combined with methods routinely employed in electrochemistry to enable truly unique and powerful experiments. 

The method developed here can easily be generalized and extended to other layered materials as well as other ionic species. Not only the method but also the outcome of its application to Li diffusion and intercalation in bilayer graphene is remarkable. A record chemical diffusion coefficient is demonstrated, exceeding even the diffusion of sodium chloride in water and surpassing any reported value of ion diffusion in single-phase mixed conducting materials. This finding may be indicative of the exceptional properties yet to be discovered in nanoscale derivatives of bulk insertion compounds.


Supervisor’s Foreword 6
Abstract 8
Acknowledgements 10
Contents 12
Abbreviations and Symbols 14
1 Introduction 18
References 23
2 Electronic Properties 25
2.1 Single Layer Graphene 25
2.2 Bilayer Graphene 27
2.3 Fermi-Level Dependence of Electronic Properties 30
2.4 Electronic Properties at Finite Magnetic Field 33
2.5 Electronic Transport in the Absence of a Magnetic Field 34
2.6 Classical Magnetotransport 39
2.7 Quantum Magnetotransport 42
2.7.1 Shubnikov-De Haas Oscillations 44
2.7.2 Integer Quantum Hall Effect 47
2.7.3 Quantum Interferences 48
2.8 Raman Scattering 50
2.9 Summary 53
References 54
3 Electrochemical Device Setup and Fabrication 58
3.1 Electrochemical Lithiation of Graphitic Carbon 58
3.1.1 The LixC6 System 60
3.1.2 The Solid Electrolyte Interphase 62
3.2 Solid Polymer Electrolyte 63
3.2.1 Characterization of the Solid Polymer Electrolyte 64
3.2.2 Electrolyte Positioning 66
3.3 Bilayer Graphene Device Fabrication and Cell Assembly 68
3.4 Summary 72
References 72
4 Lithiation Studies 75
4.1 In situ Electronic Transport at Zero Magnetic Field 75
4.2 In situ Raman Spectroscopy 79
4.3 In situ Magnetotransport 84
4.4 Low-Temperature Magnetotransport 87
4.5 Summary 92
References 92
5 Conductivity Corrections from Quantum Interferences 94
5.1 Quantum Interferences in Graphene Single- and Bilayers 94
5.1.1 Quantum Interferences in Single Layer Graphene 96
5.1.2 Quantum Interferences in Bilayer Graphene 97
5.2 Weak Localization in Li-intercalated Bilayer Graphene 98
5.2.1 Dephasing 102
5.3 Summary 103
References 104
6 Intercalate Diffusion Pathways 106
6.1 Edge Decorations 106
6.2 Bilayer Graphene/Single Layer Graphene Junctions 112
6.3 Summary 114
References 114
7 Intercalate Diffusion Kinetics 115
7.1 Li Diffusion in Graphite 115
7.2 Measurement Setup for Intercalate Diffusion Studies 118
7.3 Numerical Solution to Fick's Second Law 120
7.4 Li Diffusion Kinetics in Bilayer Graphene 122
7.5 Summary 125
References 125
A Notes on the Tight-Binding Approach 127
References 128

Erscheint lt. Verlag 27.11.2018
Reihe/Serie Springer Theses
Springer Theses
Zusatzinfo XVI, 116 p. 64 illus., 60 illus. in color.
Verlagsort Cham
Sprache englisch
Themenwelt Naturwissenschaften Chemie
Naturwissenschaften Physik / Astronomie Atom- / Kern- / Molekularphysik
Technik Maschinenbau
Schlagworte Bilayer Graphene • Electrochemical Gating • Electrochemical Lithiation • Electrolyte Gating • Intercalate Diffusion • Lithium Diffusion • Lithium Intercalation • Miniaturized Galvanic Cell • Single-Phase Mixed Conductor • Weak Localization in Bilayer Graphene
ISBN-10 3-030-02366-4 / 3030023664
ISBN-13 978-3-030-02366-9 / 9783030023669
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