鋰離子電池，顧名思義，通過在電池的兩個電極之間移動鋰原子來實現(xiàn)。因此，增加電池的容量主要在于尋找將更多鋰放入電極的方法。然而，這些研究人員的不懈努力遇到了重大問題。如果鋰是電極材料的大部分，則將其移出可能會導致電極收縮。將其移回可能導致鋰沉積在錯誤的地方，使電池短路。

斯坦福大學的一個研究團隊已經(jīng)掌握如何在石墨烯中包裹大量的鋰。由此產(chǎn)生的結構在離開時保持鋰的位置，允許它流回到它開始的地方。所得材料（他們稱之為鋰-石墨烯箔）的測試表明，它可以使電池具有接近現(xiàn)有鋰電池能量密度的兩倍。

增加電極中鋰的量的一個明顯的解決方案是簡單地使用鋰金屬本身。但這不是最簡單的事情。鋰金屬的反應性低于周期表列中的其他成員（鈉和鉀），但它仍然與空氣，水和許多電解質材料反應。此外，當鋰離開電極并返回時，無法控制其重新形成金屬的位置。在幾次充電/放電循環(huán)之后，鋰電極開始片層出現(xiàn)塌陷，其最終周期使用到足以使電池短路。

為了更好地控制鋰在電極上的表現(xiàn)，斯坦福大學研究了一些富含鋰的合金的使用。例如，鋰與硅形成復合物，硅的每個原子通常具有四個以上的鋰原子。當鋰離開電極時，硅停留在后面，提供了當在充電/放電循環(huán)的另一半上返回時結合鋰的結構。

這解決了鋰金屬的問題，但它創(chuàng)造了一個新的運作方式：當鋰運行到另一個電極時留下的硅只是不占用同樣電極填充鋰-硅混合物時的體積。結果發(fā)現(xiàn)，電極在充放電循環(huán)期間膨脹和收縮，使電池處于物理應力狀態(tài)。（注意，鋰金屬電極完全消失，可能導致更大的機械應力）

這似乎讓我們陷入困境。限制電極材料的膨脹與收縮似乎需要限制移入和移出電極材料的鋰的量。這當然意味著限制電池的能量密度。

在新的研究工作中，研究人員將早期的鋰硅工作與石墨烯相結合。石墨烯是連接在一起的單原子厚的碳原子片，并且它具有許多對電池有好處的性質。電力充足，電池充放電時，可以輕松地將電量從鋰轉移出來。它也非常薄，這意味著將大量石墨烯分子包裝到電極中并沒有占用太多的空間。對于這項工作來說，石墨烯機械性很強。

為了制作他們的電極材料，該團隊制造了鋰硅材料的納米顆粒。然后將它們與石墨烯片以八比一的比例混合。加入少量的塑料前體，將整個混合物鋪展在塑料塊上。一旦擴散，聚合物前體在石墨烯納米顆粒混合物的頂部產(chǎn)生聚合物薄膜。這可以被剝離。

所得到的材料（它們稱之為箔）包含通常被三至五層石墨烯包圍的大量納米顆粒。根據(jù)您制作箔的厚度，可以有幾層納米顆粒簇，每層由石墨烯分隔。

石墨烯片使材料相當堅固，因為可以折疊和展開它，仍然將其用作電池電極。它們還有助于保持空氣與鋰的反應。即使經(jīng)過兩周暴露于空氣中，箔仍保留約95％的電極作為電極。降低起始混合物中使用的石墨烯的分數(shù)，電極在同一兩周內損失近一半的容量。

它的電極效果非常好。當鋰離開時，納米顆粒確實收縮，但是石墨烯片將結構保持在一起并使其不會收縮。即使在400次充放電循環(huán)之后，它也保留了原始容量的98％。也許最重要的是，當與氧化釩陰極配對時，能量密度剛剛超過每瓦500瓦特小時。目前的鋰離子電池大約是一半。

通常，這樣的研究成果可能需要一段時間才能離開實驗室，并讓公司開始研發(fā)。然而，在這種情況下，研究組織的負責人已經(jīng)有一家在市場上有電池的創(chuàng)業(yè)公司。所以這樣做可能需要更少的時間進行徹底的商業(yè)評估。最大的粘附點可能是石墨烯的成本。石墨烯每千克仍然是數(shù)千美元，雖然已經(jīng)下降，很多人正在尋找使其更便宜的方法。

如果它們成功，那么這個電極的其余部件是相當便宜的。制作過程似乎很簡單。