鋰離子電池，顧名思義，通過(guò)在電池的兩個(gè)電極之間移動(dòng)鋰原子來(lái)實(shí)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(wèn)題。如果鋰是電極材料的大部分，則將其移出可能會(huì)導(dǎo)致電極收縮。將其移回可能導(dǎo)致鋰沉積在錯(cuò)誤的地方，使電池短路。

斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)在離開(kāi)時(shí)保持鋰的位置，允許它流回到它開(kāi)始的地方。所得材料（他們稱之為鋰-石墨烯箔）的測(cè)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(gè)明顯的解決方案是簡(jiǎn)單地使用鋰金屬本身。但這不是最簡(jiǎn)單的事情。鋰金屬的反應(yīng)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(zhì)材料反應(yīng)。此外，當(dāng)鋰離開(kāi)電極并返回時(shí)，無(wú)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(kāi)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(xué)研究了一些富含鋰的合金的使用。例如，鋰與硅形成復(fù)合物，硅的每個(gè)原子通常具有四個(gè)以上的鋰原子。當(dāng)鋰離開(kāi)電極時(shí)，硅停留在后面，提供了當(dāng)在充電/放電循環(huán)的另一半上返回時(shí)結(jié)合鋰的結(jié)構(gòu)。

這解決了鋰金屬的問(wèn)題，但它創(chuàng)造了一個(gè)新的運(yùn)作方式：當(dāng)鋰運(yùn)行到另一個(gè)電極時(shí)留下的硅只是不占用同樣電極填充鋰-硅混合物時(shí)的體積。結(jié)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(yīng)力狀態(tài)。（注意，鋰金屬電極完全消失，可能導(dǎo)致更大的機(jī)械應(yīng)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(dāng)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(jié)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(duì)電池有好處的性質(zhì)。電力充足，電池充放電時(shí)，可以輕松地將電量從鋰轉(zhuǎn)移出來(lái)。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(méi)有占用太多的空間。對(duì)于這項(xiàng)工作來(lái)說(shuō)，石墨烯機(jī)械性很強(qiáng)。

為了制作他們的電極材料，該團(tuán)隊(duì)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(gè)混合物鋪展在塑料塊上。一旦擴(kuò)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(dāng)堅(jiān)固，因?yàn)榭梢哉郫B和展開(kāi)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(yīng)。即使經(jīng)過(guò)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?jǐn)?shù)，電極在同一兩周內(nèi)損失近一半的容量。

它的電極效果非常好。當(dāng)鋰離開(kāi)時(shí)，納米顆粒確實(shí)收縮，但是石墨烯片將結(jié)構(gòu)保持在一起并使其不會(huì)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(dāng)與氧化釩陰極配對(duì)時(shí)，能量密度剛剛超過(guò)每瓦500瓦特小時(shí)。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(shí)間才能離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，并讓公司開(kāi)始研發(fā)。然而，在這種情況下，研究組織的負(fù)責(zé)人已經(jīng)有一家在市場(chǎng)上有電池的創(chuàng)業(yè)公司。所以這樣做可能需要更少的時(shí)間進(jìn)行徹底的商業(yè)評(píng)估。最大的粘附點(diǎn)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(gè)電極的其余部件是相當(dāng)便宜的。制作過(guò)程似乎很簡(jiǎn)單。