引入高密度平面納米尺寸的碳空穴，石墨烯薄片就可以大大加快離子擴散，就在硅石墨烯復(fù)合薄片上。這種柔性、自我支撐的三維導(dǎo)電石墨烯結(jié)構(gòu)，包含硅納米粒子，表現(xiàn)出優(yōu)良性能，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形，代表著一種有吸引力的高功率高容量負(fù)極材料，可用于鋰離子電池。美國西北大學(xué)（Northwestern University）的工程師聲稱，他們開發(fā)出的技術(shù)，可以改善充電電池。

這所大學(xué)在一份聲明中說，研究小組已經(jīng)創(chuàng)造了一種鋰離子電池電極，使它們充電量比目前技術(shù)高10倍。據(jù)報道，電池采用這種電極，充電速度也比目前的電池快10倍。研究人員取得這項成果，是因為結(jié)合了兩種化學(xué)工程方法。

“即使經(jīng)過150次充電，就是使用一年或更多時間后，電池效率仍然比當(dāng)今市場上的鋰離子電池高五倍，”哈羅德·昆弓（Harold H. Kung）解釋說，他是麥考密克工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（McCormick School of Engineering and Applied Science）教授。

鋰離子電池充電是依靠化學(xué)反應(yīng)，其中，鋰離子是在電池兩端之間傳送，也就是在陽極和陰極之間傳送。

在目前的充電電池中，陽極的制備是采用多層碳基石墨烯薄片，每6個碳原子只能容納一個鋰原子。為了提高儲能容量，科學(xué)家先前曾嘗試用硅取代碳，因為硅能容納更多的鋰，每個硅原子容納 4個鋰原子。然而，在充電過程中，硅膨脹和收縮很劇烈，會導(dǎo)致破裂，迅速喪失充電容量。

目前，電池充電電流的速度局限于石墨烯薄片的形狀；它們非常薄，但是，相對而言卻很長。在充電過程中，鋰離子必須很遠(yuǎn)地移動到石墨烯薄片的外緣，之后才能進(jìn)入薄片之間，并停止移動。因為要經(jīng)過這么長的距離，鋰才可以移動到石墨烯薄片的中間，因此，在這種材料邊緣，離子“塞車”就會四處出現(xiàn)。

昆弓的研究小組結(jié)合兩種技術(shù)，以解決這兩個問題。首先，為了穩(wěn)定硅，保持最大充電容量，他們把成簇的硅夾在石墨烯薄片之間。這可以使更大數(shù)量的鋰原子停留在電極上，同時，利用柔性石墨烯薄片，適應(yīng)使用過程中硅的體積變化。“現(xiàn)在，我們幾乎兩全其美了，”昆弓說。“我們有高得多的能量密度，這是因為硅，而夾層降低了硅膨脹和收縮造成的容量損失。即使硅簇破裂，這些硅也不會喪失。”
昆弓的小組也利用化學(xué)氧化過程，在石墨烯薄片上創(chuàng)造微孔（10至20納米），被稱為“平面缺陷”（in-plane defects），這樣，鋰離子就有一個“捷徑”，可進(jìn)入陽極，存儲在那里，因為它可以與硅反應(yīng)。

這項技術(shù)為更好的電池鋪就了道路，可用于手機和iPod，也會有更高效、更小的電池，用于電動汽車。研究小組認(rèn)為，在未來三到五年，這項技術(shù)可見于市場。

有一篇論文介紹這項研究，發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）雜志上。題目是《平面空穴制成高功率硅-石墨烯復(fù)合電極用于鋰離子電池》（In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries）。