多年來，大規(guī)模生產(chǎn)的鋰離子電池依靠石墨和銅作為其陽(yáng)極。多年來，研究人員一直在尋找可以克服這些材料的限制的替代材料，其中包括高成本的生產(chǎn)和有限的存儲(chǔ)容量（例如，硅可以存儲(chǔ)10倍的能量，盡管它構(gòu)成了另一系列問題）。

創(chuàng)建現(xiàn)今的陽(yáng)極是一個(gè)費(fèi)力的多步驟過程，其中石墨被涂覆銅箔上。然而，正如德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)家兼新研究主要作者KarlKreder所解釋的，就制造工藝和電池本身而言，這樣做會(huì)導(dǎo)致效率低下。

Kreder表示：“所以活性材料（石墨）涂在惰性集電器（銅）的頂部。這增加了系統(tǒng)的體積和非活性材料質(zhì)量，通過將集電器和活性材料結(jié)合在一起，可以使用更高容量的活性材料，同時(shí)使用更少的非活性電流收集材料。”

Kreder和他的團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)化的制造方法實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，該方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當(dāng)錫被鑄造成塊時(shí)，錫能夠直接加入到鋁中，從而形成合金，然后可以機(jī)械地軋制（相對(duì)便宜和普通的冶金合金化工藝）成納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。最后一步，材料中的顆粒減少，這是至關(guān)重要的。

Kreder解釋說：“錫可以與鋰形成合金。不幸的是，如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒，錫在與鋰形成合金時(shí)由于體積膨脹而循環(huán)時(shí)會(huì)斷裂，這意味著如果用大的錫顆粒制造電池，僅能維持?jǐn)?shù)十次的充放電循環(huán)，但如果制造納米級(jí)的錫顆粒，合金化過程中顆粒不會(huì)分裂。”

研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金（IdEA）陽(yáng)極，他們認(rèn)為其厚度僅是傳統(tǒng)陽(yáng)極材料的四分之一，而重量?jī)H有傳統(tǒng)材料的一半。他們?cè)谛⌒弯囯x子電池中對(duì)這種陽(yáng)極材料進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)其進(jìn)行充電和放電以測(cè)量性能。他們發(fā)現(xiàn)，這種陽(yáng)極的電量?jī)?chǔ)存能力是傳統(tǒng)銅-石墨陽(yáng)極的兩倍。

克雷德說：“這樣做的原因很好，其中一個(gè)元素是活性的，錫，另一個(gè)是惰性的，鋁。“鋁制造了一個(gè)導(dǎo)電的基體，在這個(gè)基體中錫保持著，鋁提供了結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，而錫在電池循環(huán)時(shí)與鋰合金化和去合金化。

該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人之一，德克薩斯州材料研究所所長(zhǎng)ArumugamManthiram表示：“能夠開發(fā)出一種便宜、，可擴(kuò)展的電極納米材料制造工藝，實(shí)在令人振奮。我們的研究結(jié)果表明，這種材料在鋰離子電池商業(yè)化進(jìn)展所需的性能指標(biāo)方面取得了成功。”

該研究成果發(fā)表在《ACSEnergyLetters》雜志上。