英國Warwick大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種有效的方法，用石墨烯桁架強化硅陽極的結(jié)構(gòu)，用硅取代鋰離子電池陽極中的石墨，可以使可充電鋰離子電池的使用壽命增加一倍以上，這大大延長了陽極的使用壽命，并且還增加了這些電池的容量。

自索尼公司最初推出鋰離子電池以來，石墨一直是鋰離子電池陽極的默認(rèn)選擇材料。但研究人員和制造商一直在尋找用硅來取代石墨的方法，硅是一種豐富的可用元素，同等質(zhì)量下是石墨能量密度的10倍之多。不幸的是，硅有幾個性能問題一直在限制著它的商業(yè)利用。

由于鋰離子的嵌入（或稱鋰離子形成）引起體積膨脹，硅粒子在充電過程中可能以電化學(xué)方式團(tuán)聚，從而降低電池的充放電效率。硅也不具有足夠的彈性來應(yīng)對多次充電時的巖石化應(yīng)變，從而導(dǎo)致陽極復(fù)合組織的開裂、粉化和快速物理降解。隨著時間的推移，這極大地降低了電池的容量，相對的電極陰極也會發(fā)生退化。這就是為什么移動電話在使用一段時間后需要更長的充電時間，以及為什么它們的電量不能保持較長的時間。

科學(xué)家們已經(jīng)嘗試了很多方法來克服這些問題，其中包括使用納米尺寸的硅微粒或摻入微米尺寸的石墨烯。盡管納米尺寸的硅顆粒顯著增加了有效的反應(yīng)表面，但它們也導(dǎo)致在第一次充電循環(huán)期間更多的鋰沉積在硅上。這導(dǎo)致硅和電解質(zhì)之間形成中間相隔離屏障，大大降低了鋰的存量，從而降低了電池的使用壽命。隨著中間層在硅上繼續(xù)增厚，鋰會不斷地失去。而第二個方法——納入不同尺度的石墨烯——已被認(rèn)為對于大規(guī)模生產(chǎn)是不切實際的。

在新的研究中， Warwick大學(xué)Melanie Loveridge領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)并測試了一種新的陽極材料，這種材料含有一種經(jīng)化學(xué)改性的石墨烯，這種材料可以解決這些問題，并創(chuàng)造出可行的硅陽極鋰離子電池。這種方法可以在工業(yè)規(guī)模上實際制造，而不需要納米尺寸的硅及其帶來的相關(guān)問題。Loveridge和她的同事在《科學(xué)報告》的一篇論文中報告了他們的研究成果。

石墨烯是單層的石墨（碳的同素異形體）。然而，也能通過某些操作，分離出幾個連接的石墨烯層，產(chǎn)生一種稱為“少量層石墨烯”（FLG）的材料。先前的研究已經(jīng)測試了FLG與納米硅的使用，但這項新的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LG在陽極中使用時，也能顯著地提高更大的微米級硅粒子的性能。Loveridge和她的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這種FLG和微米級硅的混合物可以顯著延長鋰離子電池的壽命，同時還能提供更高的功率能力。

這些陽極實際上由60%的微硅顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑組成。研究人員在100個充放電循環(huán)中檢查了這些陽極的性能（以及材料結(jié)構(gòu)的變化）。

“FLG的薄片在陽極中混合，就像一組強而相對有彈性的大梁，”洛夫里奇解釋說，“FLG的薄片提高了材料的回彈性和拉伸性能，大大減少了硅在巖石形成過程中的物理膨脹所造成的損害。石墨烯提高了陽極的長程電導(dǎo)率，并在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的復(fù)合材料中保持了較低的電阻。

“更重要的是，這些FLG薄片在保持硅顆粒之間的分離程度方面也是非常有效的，否則硅顆粒會受電荷影響相互團(tuán)聚在一起。這種日益增加的團(tuán)聚現(xiàn)象日益減少和限制了電解液進(jìn)入電池中的所有粒子，并阻礙了鋰離子的有效擴散，這當(dāng)然會降低電池的壽命和功率輸出。在由沃里克WMG大學(xué)測試的混合物中存在FLG，這促使研究人員推測，這種現(xiàn)象在減緩電化學(xué)硅融合方面是非常有效的。這項工作得到了系統(tǒng)調(diào)查的支持。”