多年来，电池设计师一直在寻找一种能够取代目前从笔记本电脑到智能手机再到汽车等各种设备中使用的锂离子电池的储能技术的下一个重大突破。事实证明，他们可能只需要重新思考现有的锂离子电池。西北大学的研究人员重新设计了锂离子电池，该电池的充电容量是目前市场上电池的十倍，并且充电速度也是十倍。
诀窍在于：重新设计的阳极解决了阻碍锂离子电池发展的两大问题——充电容量和充电速度。锂离子电池通过一种化学反应工作，在该反应中，锂离子在电池的两个端点（称为阳极和阴极）之间交换。当设备消耗能量时，离子从储存在阳极中的位置通过电解质移动到阴极。在此过程中，当离子穿过电解质进行转换时，电荷会传递给设备。当电池充电时，离子则朝相反方向移动，从阴极到阳极。
目前的阳极设计基于石墨烯片——单原子厚的碳层——用于储存锂离子。但这些阳极每六个碳原子只能储存一个锂原子，电荷密度相当低。设计人员尝试了诸如硅之类的材料，该材料每硅原子可以储存四个锂原子，但硅在充电过程中会显著膨胀和收缩，导致其碎裂。这自然会降低阳极的寿命。
基于石墨烯的设计也减慢了充电速度。由于石墨烯片的几何形状——非常薄但非常长——锂离子必须经过很长的旅程才能到达石墨烯片的边缘，然后才能挤进去。这会在阳极边缘周围造成一种离子瓶颈，并显著减慢充电速度。
西北大学的团队通过重新思考阳极并结合混合石墨烯-硅设计，极大地解决了这些问题，同时提高了容量和充电速度。首先，他们将硅层夹在石墨烯片之间，从而允许更多的锂离子在此处静止。硅在充电和放电过程中仍然会膨胀和收缩，但石墨烯的柔韧性仍然能将阳极固定在一起。硅可能会碎裂，但它仍然能保持在原位，从而使阳极能够保持更大的电荷。
然后，该团队使用化学氧化法在石墨烯片上打出微小的孔——直径仅为10到20纳米——这样锂离子就可以穿过石墨烯，而不是不得不绕到阳极边缘（那里曾经发生交通堵塞）。这个捷径允许锂离子在充电过程中快速涌入阳极，使充电速度得到十倍的提升。
这仅仅是阳极部分。研究人员接下来计划重新设计阴极，以进一步提高效率和效果。更优良的锂离子电池可能在未来三到五年内上市。
