南加州大学维特比工程学院的研究人员通过开发用于阳极和阴极(分别为负极和正极)的性能更好，更便宜的材料，改善了锂电池的性能和容量。

锂离子电池是便携式电子产品和电动或混合动力汽车中常见的一种类型的可充电电池。传统上，锂离子电池含有石墨阳极，但硅最近已成为有前途的阳极替代品，因为它是地球上第二丰富的元素，理论容量为3600毫安小时/克(mAh / g)，几乎为10倍于石墨的能力。锂离子电池的容量取决于阴极和阳极中可以存储多少锂离子。在阳极中使用硅会大大增加电池的容量，因为一个硅原子可以键合高达3.75锂离子，而对于石墨阳极，每个锂原子需要六个碳原子。

USC Viterbi团队开发了一种具有成本效益(因此具有商业可行性)的硅阳极，其稳定容量高于1100 mAh / g，延长600次循环，使其阳极功率几乎是典型商用阳极的三倍，并且持久性更高。

直到最近，锂离子电池中硅阳极的成功实施面临一个很大的障碍：由于使用硅时发生的体积膨胀和收缩导致电极严重粉碎。去年，由USC Viterbi电气工程教授Chongwu Zhou领导的同一团队开发了一种成功的阳极设计，使用多孔硅纳米线，使材料膨胀和收缩而不会破裂，有效地解决了粉碎问题。

然而，该解决方案产生了新的问题：制造纳米结构硅的方法对于商业采用来说过于昂贵。

没有被吓倒的研究生Mingyuan Ge和周氏团队的其他成员建立在他们以前的工作基础上，通过简单廉价的球磨和染色蚀刻方法开发出一种经济有效的多孔硅颗粒生产方法。

“我们生产纳米多孔硅阳极的方法成本低，可扩展，适用于工业制造中的大规模生产，这使得硅成为下一代锂离子电池的有希望的阳极材料，”周说。“我们相信这是在锂离子电池中应用硅阳极以提高容量和性能的最有前途的方法。”

此外，研究生Jiepeng Rong和其他团队成员开发了一种用氧化石墨烯涂覆硫粉的方法，以提高锂硫电池的性能。多年来，硫一直是一种很有前途的阴极候选物，因为它具有很高的理论容量，比传统的金属氧化物或磷酸盐阴极高10倍以上。元素硫也很丰富，价格便宜，毒性低。然而，硫的实际应用受到包括导电性差和可循环性差的挑战的极大阻碍，这意味着电池在每次充电后断电并且在较少次充电后死亡。

他们的研究证明，硫磺上的氧化石墨烯涂层可以解决这两个问题。氧化石墨烯具有独特的性质，例如高表面积，化学稳定性，机械强度和柔韧性，因此通常用于涂覆传感器或太阳能电池等产品中的芯材料以改善其性能。该团队的氧化石墨烯涂层将硫阴极的容量提高到800 mAh / g，进行1000次充电/放电循环，这是商用阴极容量的5倍以上。

周和他的团队最近在Nano Letters上发表了关于硅阳极的结果[1]。本文是周，USC Viterbi研究生Mingyuan Ge，Jiepeng Rong和Xin Fang，以及南加州大学电子显微镜和微量分析中心的Matthew Mecklenburg以及浙江大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员的共同努力。 。另外，周，荣，葛和方也在纳米快报上公布了他们的方法，以便轻松生产用于锂离子电池的石墨烯涂层硫阴极[2]。

现在，他们对负极和正极的单独测试已经取得了很好的效果，该团队现在正在努力在一个完整的电池中一起测试它们。他们接下来将硅阳极与硫阴极以及其他传统阴极材料集成在一起，以最大化锂离子电池容量和整体性能。

“据我们所知，我们的硅阳极和硫阴极技术是最具成本效益的解决方案之一，因此有望实现商业化，使下一代锂离子电池为便携式电子产品和电动汽车提供动力。 ，“USC Viterbi研究生荣说。