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今天的鋰離子電池由一對電極和電解質溶液組成，以在兩者之間攜帶鋰離子，其中一個電極稱為陽極，由石墨制成。鋰離子電池在智能手機、筆記本電腦、電動汽車等各種用途上都有很好的應用，但科學傢們看到瞭其他方面的可能性。

“當電池正在充電時，鋰離子被迫從電池的一側--陰極--通過電解質溶液移動到電池的另一側--陽極，”新研究的第一作者Marta Haro博士說。“然後，當電池被使用時，鋰離子會移回陰極，並從電池中釋放電流。但在石墨陽極中，需要6個碳原子才能儲存一個鋰離子，所以這些電池的能量密度很低。”

同時，使用矽來代替石墨，可以顯著提升這種能量密度，因為每個矽原子可以與四個鋰離子結合。但迄今為止，為實現這一目標所做的努力遇到瞭穩定性問題，因為矽並不像石墨那樣具有耐用性，往往會在電池循環時膨脹、收縮和破裂。

“矽陽極在給定體積內可以存儲的電荷量是石墨陽極的10倍--在能量密度方面高出整整一個數量級，”Haro博士說。“問題是，當鋰離子移入陽極時，體積變化巨大，高達400%左右，這會導致電極斷裂和破裂。”

我們已經看到瞭一些創造性的解決方案，以解決矽陽極的這種耐久性問題，包括將材料加工成海綿狀的納米纖維，微小的球體，或將其夾在碳納米管片之間。

Haro和沖繩科學技術研究生院(OIST)的一個研究小組正在探索另一種技術，涉及一種類似於蛋糕的結構，在金屬納米顆粒之間放置矽層。該團隊正在用不同厚度的矽層進行實驗，並找到瞭一個甜蜜點，使材料具有一些非常有用的特性。

“材料逐漸變得更硬，但當矽層厚度進一步增加時，剛度又迅速下降，”研究作者Theo Bouloumis說。“我們有一些想法，但當時我們並不知道這種變化發生的根本原因。”

仔細觀察發現，當矽原子沉積到金屬納米顆粒上時，它們會形成倒錐體形狀的小柱子，朝上更厚。這意味著，隨著更多矽原子的沉積和柱子的高度增長，它們的寬度會增長到足以相互接觸，並形成一個納米級的拱形結構。

“拱頂結構很堅固，就像土木工程中的拱門很堅固一樣，”該研究的高級作者Panagiotis Grammatikopoulos博士說。“同樣的概念也適用，隻是在納米尺度上。”

該研究發表在《Communications Materials》雜志上。