近日，美國斯坦福大學(xué)及其能源系直線加速實(shí)驗(yàn)室的科研人員提出一種新的納米級設(shè)計理念。該設(shè)計理念基于石榴的內(nèi)部排列，可提高使用硅做陽極的電池儲能容量。該科研小組的負(fù)責(zé)人崔怡（音）教授表示：“盡管還存在一些挑戰(zhàn)，這種設(shè)計還是讓我們向手機(jī)、平板電腦、電動汽車等要更小、更輕、更強(qiáng)的電池的設(shè)備邁進(jìn)了一大步。該研究論文發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》。

科研小組在研究論文中簡單介紹了這種基于石榴的設(shè)計概念：硅納米粒子和導(dǎo)電碳層為電池的嵌鋰和脫鋰供應(yīng)了足夠的膨脹、壓縮空間。這些混合粒子隨后被封入較厚的微米級別的碳層，作為電解液壁壘。

論文指出，硅陽極為層級結(jié)構(gòu)的電池在100次充放電后，容量為原來的97%。此外，由于這種微結(jié)構(gòu)減少了電極—電解液的接觸面積，電池的庫倫效率(99.87%)和體積容量(1,270mAhcm-3)較高。當(dāng)區(qū)域容量新增到商業(yè)鋰電的水平（3.7mAhcm-2），電池的充放電循環(huán)仍然保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

從理論角度講，硅的觸電容量是石墨的10倍，非常適合制作儲能設(shè)備的陽極。硅可以用作傳統(tǒng)鋰離子電池，或者Li–O2和鋰硫電池中，替換樹突狀的鋰金屬陽極。

但是，使用硅做鋰離子電池陽極面對的挑戰(zhàn)包括：1)結(jié)構(gòu)劣化和充放電過程中較大的容量變化（~300%）導(dǎo)致固態(tài)電解液界面的不穩(wěn)定；2）電解液發(fā)生副反應(yīng)；3）材料減小到納米級別時，容量降低。

科研人員指出，石榴設(shè)計的兩個相互關(guān)聯(lián)性使硅陽極鋰電具有優(yōu)越的性能：1）內(nèi)部可以擴(kuò)大的空間；2）SEI（固態(tài)電解液界面）的形成在空間上受到限制。在過去幾年，科研小組已經(jīng)解決了結(jié)構(gòu)劣化的問題。該科研小組表示，他們還要簡化整個制作流程以及硅納米粒子的廉價來源。由于二氧化硅占稻殼重量的20%，因此，稻殼很可能成為硅的廉價來源之一。科研人員可以使用較為簡單的方法將稻殼中的二氧化硅轉(zhuǎn)為純的硅納米粒子。

該研究項(xiàng)目得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的資金支持。