新型锂离子电池设计将能量容量和充电速率提高 10 倍

多年来，电池设计师一直在寻找下一个重大的储能技术，以取代目前从笔记本电脑到智能手机再到汽车等各种设备上的锂离子电池。事实证明，他们可能只需要重新考虑现有的锂离子电池。西北大学的研究人员重新设计了一种锂离子电池，其容量是市场上现有电池的十倍，充电速度也快十倍。

诀窍在于：重新设计的阳极解决了阻碍锂离子电池发展的两个主要问题——充电容量和充电速率。锂离子电池通过化学反应工作，锂离子在电池的两端（称为阳极和阴极）之间交换。当设备消耗能量时，离子会从阳极的存储位置通过电解质移动到阴极。在此过程中，当离子通过电解质时，电荷会传递到设备。当电池充电时，离子会朝相反的方向移动，从阴极移动到阳极。

目前的阳极设计基于石墨烯片（厚度为一个原子的碳层），用于存储锂离子。但这些阳极每六个碳原子只能存储一个锂原子，电荷密度相当低。设计师曾尝试使用硅等材料，每个硅原子可以容纳四个锂原子，但硅在充电过程中往往会大幅膨胀和收缩，导致其碎裂。这自然会缩短阳极的使用寿命。

基于石墨烯的设计也会降低充电速度。由于石墨烯片的几何形状——非常薄但非常长——锂离子必须长途跋涉才能到达石墨烯片的边缘，然后再推入内部。这会导致阳极边缘出现一种离子瓶颈，从而显著降低充电速度。

西北大学团队通过重新思考阳极并采用石墨烯-硅混合设计显著解决了这些问题，该设计可同时提高容量和充电速率。首先，他们将硅层夹在石墨烯片之间，使更多的锂离子可以停留在那里。硅在充电和放电过程中仍会膨胀和收缩，但石墨烯的柔韧性仍将阳极固定在一起。硅可以碎裂，但仍会保持原位，使阳极能够容纳更多的电荷。

随后，该团队利用化学氧化技术在石墨烯片上打出微小的孔洞（直径只有 10 到 20 纳米），这样锂离子就可以穿过石墨烯，而不必绕到阳极的边缘（那里会发生交通堵塞）。这种捷径让锂离子在充电过程中快速堆积到阳极，使充电速度提高 10 倍。

这只是阳极。研究人员下一步计划重新考虑阴极，以进一步提高效率和效力。更好的锂离子电池可能会在未来三到五年内进入市场。

努