科學家們開發了一種新型的激光製造矽石墨負極，這種負極為鋰離子（Li-ion）電池提供了高容量和近乎零的性能衰退。隨著對先進鋰離子電池需求的不斷增長，矽已成為傳統石墨負極的一個有前途的替代品，因為它擁有更高的理論容量。然而，矽的應用仍受到低效率、循環過程中的結構問題以及困難的前鋰化等因素的限制。
為了解決這些挑戰，以色列的科學家創造了一種一步驟的激光過程，能夠同時合成並將前鋰化的矽納米顆粒整合到導電的石墨烯矩陣中。這種激光驅動的環境固態原位前鋰化方法由特拉維夫大學化學學院及材料科學系的教授 Fernando Patolsky 博士領導的團隊設計。
該方法在環境條件下運行，依賴於簡單的前驅物，消除了複雜的多步製造或反應性鋰金屬的需求。它通過快速的低功率激光照射，從包含酚醛樹脂、矽納米顆粒（SiNPs）和鋰鹽的三元混合物中提供一種自持的、穩定於空氣的前鋰化複合材料。局部的熱和壓力觸發了矽與鋰鹽之間的反應。
| 鋰鹽 | 性能 |
|---|---|
| LiOH | 最佳性能 |
| Li2CO3 | 常見 |
| LiNO3 | 常見 |
| LiF | 常見 |
| LiClO4 | 常見 |
這種方法普遍使用常見的鋰鹽，其中 LiOH 由於碱性促進的前驅物密實化和增強的界面接觸，顯示出最佳性能。這使得在形成激光誘導石墨烯（LIG）的同時進行原位前鋰化。這種三維多孔的電導性石墨烯形成了一個穩定且高導電性的框架，支持矽顆粒的穩定性。
在測試期間，原型的矽石墨負極在以每克五安培（A g-1）的電流密度下，經過超過 2,000 次循環後仍保留超過 98% 的容量，與未前鋰化的對比品相比幾乎沒有衰退。同時，性能評估顯示該負極每克可提供超過 1,700 毫安時（mAh）的容量，初始庫倫效率超過 97%。研究人員指出，這顯示出在快速充電應用方面的強大潛力，尤其是在電動車（EV）和便攜式電子產品中。
該系統還顯示出超快充電能力，在每克 10 A g-1 的電流密度下，保持了最高容量的 63%。此外，這項新技術在數千次充放電循環中維持了穩定的性能，顯示出隨著時間的推移幾乎沒有降解。
這項創新不僅推進了下一代鋰離子電池的發展，還為將易得且具有成本效益的前驅材料轉化為高性能電極建立了一個框架，承諾能降低電池製造的複雜性和成本。團隊證明了該方法的可擴展性，並生產了長達 7.8 英寸（20 厘米）的電極，並有潛力進行卷對卷的製造。在與 LiFePO4 正極的全電池測試中，這些電池在 1C 的速率下經過 500 次循環後未顯示出可測量的容量損失。
