美国华人科学家：石墨烯复合纳米电极新进展 或可增强电池续航能力

　　5月12日，《科学》（Science）刊发美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授课题组设计了一种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔复合材料，可通过孔结构调控，在超过10 mg cm-2高质量负载和高电流密度的条件下实现高效的电荷传递，同时保持优异的电化学性能。该论文题为“Three-dimensional holey-graphene/niobia compositearchitectures for ultrahigh-rate energy storage”。

　　

　　美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授表示，充电快慢由功率密度决定，使用时间长短由能量密度决定，但对于现在大部分电池，提高功率密度与提高能量密度通常相互冲突。而以多孔石墨烯为三维框架结构、表面均匀生长纳米颗粒五氧化二铌的方式制成的复合电极，能同时实现充电快和使用时间长这两个目标。

　　“对于一个需要充1小时电的手机电池，利用这个电极有可能把充电时间降到10分钟内，而电池容量并没有减少多少，”他举例说，“此前我们可能听说过类似快充，但一般伴随的是能量密度（使用时间）的大幅降低。”

　　锂离子电池是目前最主流的电池类型，但其能量密度等性能被认为已接近极限。过去10多年，学术界的很多研究集中在新的电极材料上，尤其是纳米结构电极材料。这些材料在实验中可输出很高的能量或实现快充，但在商用器件中却一直没办法达到理想性能。

　　石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的二维晶体，具有优异的导电性能。这项研究使用三维多孔石墨烯结构，加上五氧化二铌作为电极材料，较好地解决了相关技术难题，成功实现了较高电池容量和超快速充放电的组合。

　　段镶锋说：“利用类似原理，我们正在把三维多孔石墨烯与高容量纳米材料，如纳米硅、硫等复合，若成功实施有望在电池容量上实现3至5倍以上的改善，进一步增加手机待机时间或电动汽车的行驶距离。”

　　课题组设计了一种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔复合材料，可通过孔结构调控，在超过10 mg cm-2高质量负载和高电流密度的条件下实现高效的电荷传递，同时保持优异的电化学性能。

　　

　　三维多级多孔石墨烯/Nb2O5纳米复合材料制备示意图

　　这种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔纳米复合材料电极的亮点在于，为离子和电子传递提供了许多相互交联和相互贯通的捷径。

　　超高的比表面积，保证了可以在不牺牲反应效率和电子传递的情况下实现Nb2O5纳米颗粒的有效负载；

　　相互交联的石墨烯框架提供了优异的电子传递通道；

　　多级多孔结构确保了高离子扩散速率，石墨烯片层之间的孔洞提供了大量捷径用于锂离子传递，并进一步缓解了电解质穿过整个多孔结构的扩散极限。

　　

　　高质量负载量Nb2O5/HGF 纳米复合电极的性能

　　在10C速率条件下，负载量从1 mg cm-2 增加到11 mg cm-2，几乎不发生质量比容量的降低。对于负载量为11 mg cm-2 Nb2O5/HGF 的纳米复合电极，在10C条件下循环10000次，容量保持率为90%，库伦效率为99.9%。

　　在高质量负载量和高电流密度情况下，这种3D孔状石墨烯/ Nb2O5复合材料电极比石墨负极、Si负极、C-Si负极以及C-S正极具有更高的容量保持率，使纳米电极材料离商业化更近一步。

　　他说，虽然相关工作仍有很多细节需要完善，生产工艺也需进一步优化，但这“为实现高容量、高功率商用电池器件指出了一个切实可行的蓝图”。