今年年初，cui和同事報(bào)告了一種甚至勝過(guò)其復(fù)雜“石榴”組件的解決方案。他們簡(jiǎn)單地將大的硅顆粒錘打至微米尺度，然后將它們包裹進(jìn)由石墨烯制成的碳薄片中。被錘打的顆粒在“石榴”中繞成比硅球還大的團(tuán)，并且大到在幾次充電循環(huán)后開(kāi)始破裂。不過(guò)，石墨烯包裹物會(huì)阻止電解質(zhì)成分到達(dá)硅那里。同時(shí)，它還靈活到足以同破裂的顆粒保持聯(lián)系，并因此將它們的電荷攜帶至金屬線(xiàn)。更重要的是，該團(tuán)隊(duì)在《自然—能源》雜志上報(bào)告稱(chēng)，較大的硅顆粒物會(huì)將更多質(zhì)量和更多電力“塞進(jìn)”特定的體積中。同時(shí)，和“石榴”相比，制造它們要廉價(jià)且簡(jiǎn)單很多。

聚焦“戰(zhàn)斗”的另一半

目前，cui正在將視野放到硅以外。一個(gè)聚集點(diǎn)是用純的鋰金屬制造陽(yáng)極。鋰金屬一直被視為終極的陽(yáng)極材料，因?yàn)楹凸柘啾?，它擁有?chǔ)存更多能量的潛力，并且要輕很多。

不過(guò)，這里面也有一些重要問(wèn)題。sei層通常在鋰金屬的電極附近形成，而這其實(shí)是個(gè)好消息：鋰離子能穿透這一層，因此sei層在鋰陽(yáng)極附近充當(dāng)了保護(hù)膜的作用。不過(guò)，隨著電池循環(huán)充放電，這種金屬會(huì)和硅顆粒一樣膨脹收縮，同時(shí)脈沖會(huì)打破sei層。隨后，鋰離子在裂隙中堆積，導(dǎo)致被稱(chēng)為枝晶的金屬尖狀物從電極處生長(zhǎng)出來(lái)?！斑@些枝晶會(huì)刺穿電池隔板，令電池短路，并且使其著火?！眂ui團(tuán)隊(duì)的另一名研究生yayuanliu介紹說(shuō)。

傳統(tǒng)方法并未解決該問(wèn)題。不過(guò)，納米技術(shù)或許可以。在一種阻止枝晶形成的方法中，cui的團(tuán)隊(duì)通過(guò)用一層相互連接的納米碳球體包裹陽(yáng)極，使sei層保持了穩(wěn)定。在另一種方法中，他們創(chuàng)建了一種新的“蛋黃—蛋殼”顆粒物。這種顆粒物比碳?xì)ご蠛芏啵⑶移鋬?nèi)部由金納米顆粒制成。當(dāng)納米膠囊被制成陽(yáng)極時(shí)，金會(huì)吸引鋰離子；“蛋殼”為鋰提供了收縮和膨脹的空間，而無(wú)須讓sei層發(fā)生破裂，因此枝晶不會(huì)形成。

在制造更好的電池方面，改善陽(yáng)極只是這場(chǎng)“戰(zhàn)斗”的一半。cui團(tuán)隊(duì)還采用一種受納米啟發(fā)的類(lèi)似方法改進(jìn)了陰極材料，尤其是硫。和位于陽(yáng)極一端的硅類(lèi)似，硫一直被視為陰極的理想選擇。每個(gè)硫原子能容納一對(duì)鋰，從而使其和傳統(tǒng)陰極相比原則上可將能量?jī)?chǔ)存增加若干倍變成可能?；蛟S同樣重要的是，硫非常便宜。不過(guò)，它也存在問(wèn)題。硫是一種相對(duì)中規(guī)中矩的導(dǎo)電體，并且會(huì)和普通電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成在幾次充放電循環(huán)后能消耗電池壽命的化學(xué)物質(zhì)。與此同時(shí)，硫陰極往往會(huì)儲(chǔ)藏電荷，而不是在放電期間將它們拋棄。

cui團(tuán)隊(duì)尋求的是一種納米解決方法。他們將硫顆粒包在高導(dǎo)電性的二氧化鈦外殼中，從而使電池能力較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了5倍，并且能防止硫的副產(chǎn)品損害電池。研究人員還制造了基于硫的“石榴”版本，并且將硫困在長(zhǎng)且薄的納米纖維內(nèi)。這些和其他創(chuàng)新不僅提升了電池能力，還使庫(kù)侖效率（電池在多大程度上釋放電荷）從86%提高到99%。“現(xiàn)在，我們?cè)陔姌O兩端均擁有了很強(qiáng)的能力?！眂ui表示。