日常生活中許多產(chǎn)品離不開電池，但電池的充電速度和使用時間始終遭人詬病。美國華人科學(xué)家在最新一期美國《科學(xué)》雜志上報告說，他們研制出一種多孔石墨烯復(fù)合電極技術(shù)，朝著研制充電速度快且續(xù)航能力強的電池邁近重要一步。

美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授對記者說，充電快慢由功率密度決定，使用時間長短由能量密度決定，但對于現(xiàn)在大部分電池，提高功率密度與提高能量密度通常相互沖突。而以多孔石墨烯為三維框架結(jié)構(gòu)、表面均勻生長納米顆粒五氧化二鈮的方式制成的復(fù)合電極，能同時實現(xiàn)充電快和使用時間長這兩個目標(biāo)。

“對于一個需要充1小時電的手機(jī)電池，利用這個電極有可能把充電時間降到10分鐘內(nèi)，而電池容量并沒有減少多少，”他舉例說，“此前我們可能聽說過類似快充，但一般伴隨的是能量密度（使用時間）的大幅降低。”

鋰離子電池是目前最主流的電池類型，但其能量密度等性能被認(rèn)為已接近極限。過去10多年，學(xué)術(shù)界的很多研究集中在新的電極材料上，尤其是納米結(jié)構(gòu)電極材料。這些材料在實驗中可輸出很高的能量或?qū)崿F(xiàn)快充，但在商用器件中卻一直沒辦法達(dá)到理想性能。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的二維晶體，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。這項研究使用三維多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，加上五氧化二鈮作為電極材料，較好地解決了相關(guān)技術(shù)難題，成功實現(xiàn)了較高電池容量和超快速充放電的組合。

段鑲鋒說：“利用類似原理，我們正在把三維多孔石墨烯與高容量納米材料，如納米硅、硫等復(fù)合，若成功實施有望在電池容量上實現(xiàn)3至5倍以上的改善，進(jìn)一步增加手機(jī)待機(jī)時間或 電動汽車 的行駛距離?！?/p>

他說，雖然相關(guān)工作仍有很多細(xì)節(jié)需要完善，生產(chǎn)工藝也需進(jìn)一步優(yōu)化，但這“為實現(xiàn)高容量、高功率商用電池器件指出了一個切實可行的藍(lán)圖”。

研究成果：

對電池而言，電極材料對電荷儲存起直接作用，其他元器件對電池性能起到不可或缺的間接輔助作用。電極容量和電極上負(fù)載的活性材料的質(zhì)量成正比，更高的負(fù)載量意味著更大的電荷儲存能力，同時也需要更快的電荷傳遞能力。

納米結(jié)構(gòu)電極材料在高能量密度和高功率密度方面都表現(xiàn)出比傳統(tǒng)電極更大的優(yōu)勢，可以有效提高質(zhì)量比容量和比率放電能力。

圖1.納米硅電極使質(zhì)量比容量提高10倍

圖2.納米Nb ₂ O ₅ 電極使質(zhì)量比率放電能力提高10-100倍

問題在于：

商業(yè)電池電極材料需要質(zhì)量負(fù)載至少達(dá)到10mgcm ^-2 ，而實驗室做高效納米電極材料都非常薄，質(zhì)量負(fù)載往往不超過1mgcm ^-2 。

這是因為，質(zhì)量負(fù)載量越高，電荷傳輸更難。對比質(zhì)量負(fù)載量為1mgcm ^-2 的電極，10mgcm^-2 電極上電荷傳遞路徑增加了10倍。要想維持相同的質(zhì)量比容量和電流密度，10mgcm ^-2 電極上離子和電子的傳遞速率要增加100倍，傳遞10倍以上的電荷。

另外，活性材料的高負(fù)載量意味著其他組成的含量減少，導(dǎo)致在低負(fù)載量上存在的特殊電化學(xué)性能的削弱。這2個主要原因?qū)е录{米電極材料很難超過現(xiàn)有商業(yè) 鋰離子電池 的性能。

因此，必須開發(fā)具有更快速電荷傳遞能力的材料，使足夠的電荷穿過較厚的電極，才能使納米電極材料真正走出實驗室。

圖3.最大化電極容量和最大化利用納米材料電極

有鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授課題組設(shè)計了一種三維孔狀石墨烯/Nb2O5多孔復(fù)合材料，可通過孔結(jié)構(gòu)調(diào)控，在超過10mgcm-2高質(zhì)量負(fù)載和高電流密度的條件下實現(xiàn)高效的電荷傳遞，同時保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖4.三維多級多孔石墨烯/Nb ₂ O ₅ 納米復(fù)合材料制備示意圖

這種三維孔狀石墨烯/Nb ₂ O ₅ 多孔納米復(fù)合材料電極的亮點在于，為離子和電子傳遞提供了許多相互交聯(lián)和相互貫通的捷徑。

1）超高的比表面積，保證了可以在不犧牲反應(yīng)效率和電子傳遞的情況下實現(xiàn)Nb ₂ O ₅ 納米顆粒的有效負(fù)載。

2）相互交聯(lián)的石墨烯框架提供了優(yōu)異的電子傳遞通道

3）多級多孔結(jié)構(gòu)確保了高離子擴(kuò)散速率，石墨烯片層之間的孔洞提供了大量捷徑用于鋰離子傳遞，并進(jìn)一步緩解了電解質(zhì)穿過整個多孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散極限。

圖5.高質(zhì)量負(fù)載量Nb ₂ O ₅ /HGF納米復(fù)合電極的性能

在10C速率條件下，負(fù)載量從1mgcm ^-2 增加到11mgcm ^-2，幾乎不發(fā)生質(zhì)量比容量的降低。對于負(fù)載量為11mgcm ^-2 Nb ₂ O ₅ /HGF的納米復(fù)合電極，在10C條件下循環(huán)10000次，容量保持率為90%，庫倫效率為99.9%。

在高質(zhì)量負(fù)載量和高電流密度情況下，這種3D孔狀石墨烯/Nb2O5復(fù)合材料電極比石墨負(fù)極、Si負(fù)極、C-Si負(fù)極以及C-S正極具有更高的容量保持率，使納米電極材料離商業(yè)化更近一步。