多年來，科學(xué)家們一直在嘗試用硅制造一種實用的鋰離子電池陽極，這種陽極每次充電能儲存的能量是目前商用陽極的10倍，并能制造出體積更小、重量更輕的高性能電池。

但是有兩個主要的問題阻礙了電池充電:硅顆粒在充電過程中膨脹、開裂和破碎，它們與電池電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成一層涂層，削弱了電池的性能。

現(xiàn)在,來自斯坦福大學(xué)的研究小組和能源部SLAC國家加速器實驗室想出了一個可能的解決方案:把每一個硅陽極石墨烯制成的粒子在一個定制的籠子里,一個純粹的形式的碳是已知最薄、最堅硬的物質(zhì),一個偉大的指揮家的電力。

自然能源的1月25日發(fā)表的一份報告中,他們描述一個簡單的三步方法構(gòu)建微觀石墨烯籠子的正確的大小:寬敞的足以讓硅粒子擴(kuò)大在充電,然而緊得足以容納所有的碎片拼到一起,當(dāng)粒子分解,所以它可以繼續(xù)函數(shù)在高容量。堅固、靈活的保持架還能阻止與電解質(zhì)的破壞性化學(xué)反應(yīng)。

將硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高電池性能

將硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高電池性能

這張電子顯微鏡拍攝的延時電影顯示了新型電池材料的實際應(yīng)用:一個硅粒子在充電時在石墨烯籠中膨脹并開裂。

在測試中，石墨烯籠實際上提高了粒子的導(dǎo)電性，并提供了高電荷容量、化學(xué)穩(wěn)定性和效率，該方法也可以應(yīng)用于其他電極材料，使高能量、低成本的電池材料成為現(xiàn)實的可能性。

對硅陽極的追求

鋰離子電池的工作原理是通過在陰極和陽極兩個電極之間的電解質(zhì)溶液中來回移動鋰離子。

充電電池迫使離子進(jìn)入陽極;利用電池做功將離子移回陰極。

當(dāng)涉及到制造硅陽極時，科學(xué)家們一直受到這樣一個事實的阻礙:硅在充電時膨脹到正常大小的三倍。對于崔和他的合作者來說，這一探索首先導(dǎo)致了由硅納米線或納米顆粒制成的陽極，這種陽極非常小，不太可能斷裂。

研究小組提出了許多限制和保護(hù)硅納米顆粒的方法，從類似石榴的結(jié)構(gòu)到由自愈聚合物或?qū)щ娋酆衔锼z制成的涂層(如用于軟隱形眼鏡的那種)。但這些只是部分成功;由此產(chǎn)生的陽極效率仍然不夠高，而且納米粒子價格昂貴且難以制造。

這種新方法允許我們使用更大的硅顆粒，直徑在1到3微米之間，也就是百萬分之一米，價格便宜，而且廣泛使用。事實上，使用的顆粒與制造半導(dǎo)體芯片所產(chǎn)生的廢料非常相似;它們就像各種形狀和大小的木屑。這么大的粒子以前從未在電池陽極中表現(xiàn)良好，所以這是一個非常令人興奮的新成就，我們認(rèn)為它提供了一個實用的解決方案。

都在涂層里

要使石墨烯保持架起作用，它們必須精確地與硅粒子匹配?？茖W(xué)家們通過一系列步驟實現(xiàn)了這一目標(biāo):首先，他們在硅顆粒上涂上鎳，鎳的厚度剛好合適。然后他們在鎳的表面生長了一層石墨烯，鎳作為催化劑促進(jìn)石墨烯的生長。最后他們把鎳蝕刻掉，在石墨烯保持架中留下足夠的空間讓硅粒子膨脹。

將硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高電池性能

將硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高電池性能

為了在硅粒子周圍建立石墨烯保持架，研究人員在硅粒子上涂上鎳;在鎳的表面生長了一層石墨烯;用酸把鎳溶解

斯坦福大學(xué)博士后研究員進(jìn)行了這項實驗。合身的石墨烯籠是第一個保持高效率的涂層，反應(yīng)可以在相對較低的溫度下進(jìn)行?，F(xiàn)在研究小組將對這一過程進(jìn)行微調(diào)，并生產(chǎn)足夠大數(shù)量的籠狀硅顆粒，以制造用于測試的商用電池。這項研究由斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所SIMES進(jìn)行，由美國能源部車輛技術(shù)辦公室的電池材料研究項目資助。

SLAC是一個在光子科學(xué)、天體物理學(xué)、粒子物理學(xué)和加速器研究領(lǐng)域探索前沿問題的多學(xué)科實驗室?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，正在努力解決我們這個時代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。