科學家們希望提高當今鋰離子電池性能的方法之一是在設計中加入矽，這可以使其容量提高10倍。日本的一個研究小組已經想出了一種方法，克服了迄今為止困擾這些努力的耐久性問題，依靠由微小的納米級拱形材料製成的陽極組件，提供一些急需的強度。

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，由石墨製成。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，但科學家們看到了其他方面的可能性。

“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了穩定性問題，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。”

我們已經看到了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，並找到了一個甜蜜點，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，只是在納米尺度上。”

該研究發表在《Communications Materials》雜誌上。