如图所示：Sila Nanotechnologies公司的硅占主体的复合阳极电池

现如今，无论是便携式电子设备(如手机和平板电脑)，还是电动汽车乃至电网规模储能的首选电源都是锂离子电池。尽管自1991年索尼推出第一块锂离子电池以来，时间已经过去了二十年，我们在提高能量密度和降低成本方面取得了稳步进展，但目前锂离子电池的能量密度已逐渐达到其理论极限值。

无论是用于消费电子半岛bd体育手机客户端 还是电动汽车中，锂离子电池的基本结构都是相同的。将阳极，隔膜和阴极浸入电解质溶液中，这有助于在阴极和阳极之间传输Li 。用于电子设备的锂离子电池通常采用的是石墨阳极和锂钴氧(LCO)阴极，而用于电动车辆的锂离子电池则采用的是石墨阳极和锂镍钴锰(NCM)或锂镍钴铝(NCA)的阴极。通过向电池阴极中添加其他金属可以减少昂贵且有毒的钴金属的使用量，添加其它金属替代钴只会轻微地降低电池的能量密度。
然而，乔治亚理工学院材料科学与工程教授Gleb Yushin指出，锂离子电池目前的问题在于：近年来其单位能量密度的提高和价格的降低已经表现出了停滞不前的现象。

“为了生产价格更合适的电动汽车，我们仍然需要大幅降低电池的制造成本，而对于智能电子设备，我们则需要体积更小，性能更好的电池。然而，传统的锂离子电池能量密度正在接近其理论极限，以致其可能无法提供给我们需要的性能。”Gleb Yushin说。

锂离子电池主要受限因素是石墨阳极，目前石墨阳极已经差不多达到了其理论容量。备选方案严格受到元素周期表的限制：只有硅或锂金属有可能提供给锂离子电池更高容量的阳极。
“用锂金属或硅基阳极替代石墨将增加锂离子电池的能量密度，这意味着相同尺寸的电池将会包含更多能量，或者更小，更轻的电池将为可穿戴电子设备提供相同的能量存储解决方案。”Yushin解释说道。“就广义而言，这两种材料都有着类似的性能提升，但锂金属阳极需要在特殊且更昂贵的设施中加工。”

虽然这两种材料都有其固有的待解决的问题，但锂金属阳极可能会遇到充电速度慢，低温性能差，循环过程中体积膨胀以及不够安全等一系列问题。Yushin认为，具有快速充电和优异低温性能的硅阳极将会是更好的选择。

包括Shinetsu Chemical、初创公司Angstrom Materials及其姊妹公司Nanotek Instruments、OneD Material等在内的多家公司正在开发和生产含硅添加剂，它们已经将少量含硅添加剂(通常高达3-5%)引入到了商业石墨阳极中，以提高一些电池制造商(例如日本松下公司)的商业电池的性能。虽然这是一个很有希望的举措，但仍然需要更激进的措施来大幅提高电池性能。

正是因为考虑到这一点，Yushin于2011年与人合伙共同创立了Sila Nanotechnologies公司，用以开发和制造先进的硅电极。这家已经拥有100多名员工的硅谷公司开发出了一种纳米多孔且硅占主导地位的复合材料，可以完全取代目前的石墨阳极。这种材料的关键优势是其多孔结构。在常规的锂离子电池中，当阳极在名为插层反应的过程中充电吸收锂离子时，存在着相应的体积变化，这可能会导致安全问题。石墨每六个碳原子可容纳一个锂原子，而硅阳极每六个硅原子可以储存多达20个锂原子，但是这会导致硅材料发生严重的体积膨胀。Sila公司的硅占主导地位的复合材料阳极的内部孔隙可以在充电过程中适应这种体积膨胀，而对电池的外部尺寸几乎没有影响。此外，该材料可以在大容量的反应器中批量生产，很容易释放产能，并且与当前用于生产石墨阳极的电池制造设备完全兼容。

Yushin说：“在实际生产的电池中，硅阳极可以提供高达40-45%的能量，并显著提高充电速率，这对电子设备和电动汽车来说至关重要。”

最初，Sila公司的硅占主导地位的复合材料阳极将提供20-25%的能量提升。然而，进一步的研发改进即将展开，公司希望看到其与宝马汽车长期合作的科研成果可以被用在宝马公司将于20世纪20年代初推出的下一代电动汽车上。

总部位于英国的新兴公司Nexeon也主要专注于电动汽车的硅阳极研发，而位于加利福尼亚的Enovix与赛普拉斯半导体，英特尔和高通合作，于2014年开始为他们的手机半岛bd体育手机客户端 /可穿戴设备市场生产使用3D 硅阳极技术的锂离子电池。Sila正在考虑将其硅基阳极电池用于各种消费类电子设备中，计划从今年年底或下年初开始供货。

“Sila公司的阳极粉末在制造阳极时可作为石墨粉末的替代品，并可供全球的锂离子电池制造商使用。”Yushin指出，“我们的电池技术将首先引入到智能手表和其他可穿戴设备，无线耳机和手机中，其中设备制造商的主要优势将是能够在高度受限的电池体积中封装更多和更好的功能(例如传感器和显示器)。”

随着对锂离子阳极的改进来提升容量，用户可以期望他们的移动设备变得更小，更智能，充电更快，持续时间更长。而更经济实惠的电动汽车将无畏严寒，能提供更好的加速度，更长的行程和更优异的性能。