石墨長期以來一直是當今鋰離子電池的關鍵組成部分。然而，隨著我們對這些電池的依賴不斷新增，基于石墨烯的電極要得到升級。為此，科學家們正在尋找數字革命的核心元素：硅。

美國能源部西北太平洋國家實驗室的科學家想出了一種新方法來使用這種有前途但有問題的儲能成分。硅被用于電腦芯片和許多其他產品，它的吸引力在于它每克容納的電荷量是石墨的10倍。問題是，當硅遇到鋰時，它會急劇膨脹，并且太弱無法承受電極制造的壓力。

為了解決這些問題，由美國能源部西北太平洋國家實驗室的研究人員張吉光（音譯）和李曉林（音譯）領導的團隊開發了一種獨特的納米結構，該結構在限制硅膨脹的同時還用碳強化了硅。他們的研究成果最近發表在《自然通訊》雜志上，可以為其他類型的電池供應新的電極材料設計信息，并最終幫助提高電動汽車，電子設備和其他設備中鋰離子電池的能量容量。

消除硅的缺點

石墨是碳的一種導電且穩定的形式，非常適合在充電時將鋰離子填充到電池的陽極中。硅可以吸收比石墨更多的鋰，但硅往往會膨脹約300％的體積，導致陽極破裂。研究人員通過將小的硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球（大致相當于一個紅血球的大小）來制造多孔形式的硅。

張吉光說：“例如，像石頭這樣的固體材料，假如體積膨脹太大，就會破裂。我們創造的東西更像海綿，內部有空間吸收膨脹。”

研究發現，多孔硅結構的電極在容納兩倍于典型石墨陽極的電荷時，厚度變化小于20％。然而，與之前的多孔硅不同的是，由于碳納米管使微球看起來像紗線球，微球也顯示出了非凡的機械強度。

超強微球

研究人員分幾步創建了結構，首先是用氧化硅涂覆碳納米管。接下來，將納米管放入油和水的乳液中。然后將它們加熱至沸騰。

李曉林說：“當水蒸發時，涂覆的碳納米管會凝結成球形。然后，我們使用鋁和更高的熱量將氧化硅轉化為硅，然后浸入水和酸中以去除副產物。”從該過程中出現的是由碳納米管表面上的微小硅顆粒組成的粉末。

使用原子力顯微鏡的探針測試了多孔硅球的強度。作者發現，其中一種納米級的紗線球“在非常高的壓縮力下可能會屈服并失去一些孔隙，但不會破裂。”

這預示著商業化的發展，因為陽極材料必須在制造過程中能夠承受滾軸的高壓力。張吉光說，下一步是開發出更具可擴展性和經濟性的制造硅微球的方法，以便它們有一天能成為下一代高性能鋰離子電池。