《科學(xué)》（Science）刊發(fā)美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授課題組設(shè)計(jì)了一種三維孔狀石墨烯/Nb2O5多孔復(fù)合材料，可通過(guò)孔結(jié)構(gòu)調(diào)控，在超過(guò)10mgcm-2高質(zhì)量負(fù)載和高電流密度的條件下實(shí)現(xiàn)高效的電荷傳遞，同時(shí)保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授表示，充電快慢由功率密度決定，使用時(shí)間長(zhǎng)短由能量密度決定，但對(duì)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(zhǎng)納米顆粒五氧化二鈮的方式制成的復(fù)合電極，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電快和使用時(shí)間長(zhǎng)這兩個(gè)目標(biāo)。

“對(duì)于一個(gè)需要充1小時(shí)電的手機(jī)電池，利用這個(gè)電極有可能把充電時(shí)間降到10分鐘內(nèi)，而電池容量并沒(méi)有減少多少，”他舉例說(shuō)，“此前我們可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)類似快充，但一般伴隨的是能量密度（使用時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(méi)辦法達(dá)到理想性能。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，由碳原子組成的二維晶體，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了較高電池容量和超快速充放電的組合。

段鑲鋒說(shuō)：“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(shí)施有望在電池容量上實(shí)現(xiàn)3至5倍以上的改善，進(jìn)一步增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間或電動(dòng)汽車的行駛距離。”

課題組設(shè)計(jì)了一種三維孔狀石墨烯/Nb2O5多孔復(fù)合材料，可通過(guò)孔結(jié)構(gòu)調(diào)控，在超過(guò)10mgcm-2高質(zhì)量負(fù)載和高電流密度的條件下實(shí)現(xiàn)高效的電荷傳遞，同時(shí)保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。

這種三維孔狀石墨烯/Nb2O5多孔納米復(fù)合材料電極的亮點(diǎn)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。

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(shí)現(xiàn)Nb2O5納米顆粒的有效負(fù)載；

相互交聯(lián)的石墨烯框架提供了優(yōu)異的電子傳遞通道；

多級(jí)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(guò)整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散極限。

高質(zhì)量負(fù)載量Nb2O5/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(duì)于負(fù)載量為11mgcm-2Nb2O5/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(kù)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。

他說(shuō)，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(shí)現(xiàn)高容量、高功率商用電池器件指出了一個(gè)切實(shí)可行的藍(lán)圖”。