多年來，科學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，它們與電池電解質發生反應，形成一層涂層，削弱了電池的性能。

現在,來自斯坦福大學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,一個偉大的指揮家的電力。

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

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電性，并提供了高電荷容量、化學穩定性和效率，該方法也可以應用于其他電極材料，使高能量、低成本的電池材料成為現實的可能性。

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溶液中來回移動鋰離子。

充電電池迫使離子進入陽極;利用電池做功將離子移回陰極。

當涉及到制造硅陽極時，科學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硅納米顆粒的方法，從類似石榴的結構到由自愈聚合物或導電聚合物水凝膠制成的涂層(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體芯片所產生的廢料非常相似;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良好，所以這是一個非常令人興奮的新成就，我們認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家們通過一系列步驟實現了這一目標: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

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

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