十多年来，科学家一直在尝试通过将硅替换为一个端子中的石墨来改善锂基电池，该硅可以存储10倍以上的电荷。但是，仅经过几个充电/放电循环，硅结构就会破裂和破裂，从而使电池无用。
现在，由斯坦福大学材料科学家Yi Cui和SLAC国家加速器实验室领导的团队找到了一个解决方案：一个巧妙设计的双壁纳米结构，可以持续6,000多个循环，远远超出了电动汽车或移动电子设备的需求。
崔说：“这是实现我们目标的一种令人兴奋的发展，我们的目标是制造比今天更小，更轻和更持久的电池。”研究结果于3月25日发表在《自然纳米技术》上。
阳极的危险“爆破”
锂离子电池被广泛用于为从电动汽车到便携式电子设备的设备供电，因为它们可以在相对较轻的包装中存储相对大量的能量。电池通过控制锂离子在其两个端子（称为阳极和阴极）之间通过液体电解质的流动来工作。
在这些电池中使用硅作为阳极的前景（也是危险）来自于锂离子在充电周期中与阳极结合的方式。多达四个锂离子与硅阳极中的每个原子键合（而如今的石墨阳极中，碳原子中只有六个碳原子中只有一个）。因此，它可以存储更多的电荷。
但是，它也会使阳极膨胀到其初始体积的四倍之多。此外，一些电解质会与硅发生反应，被硅覆盖并阻止进一步的充电。当锂在放电过程中从阳极流出时，阳极收缩至其原始尺寸，涂层破裂，从而使新鲜的硅暴露于电解质中。
在短短的几个周期内，膨胀和收缩的应变，再加上电解质的侵蚀，通过称为“爆破”的过程破坏了阳极。
新设计
在过去的五年中，Cui的小组通过将硅阳极制成纳米线，然后再制成中空的硅纳米粒子，逐渐提高了硅阳极的耐久性。他的最新设计包括一个双壁硅纳米管，上面涂有一层氧化硅，这是一种非常坚硬的陶瓷材料。
这种坚固的外层可防止纳米管的外壁膨胀，因此保持完整。取而代之的是，硅无害地溶胀到中空内部，该内部空间也太小而无法使电解质分子进入。在第一个充电周期后，它可以运行6000多个周期，剩余容量为85％。
崔说，未来的研究旨在简化双层硅纳米管的制造工艺。他的小组中的其他人正在开发新的高性能阴极，并与新的阳极结合，以形成性能是当今锂离子技术五倍的电池。
2008年，Cui创立了一家名为Amprius的公司，该公司为其硅纳米线阳极技术获得了斯坦福大学的专利权。它的近期目标是生产一种能量密度是当今锂离子电池两倍的电池。
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