科學(xué)：多孔石墨烯電極技術(shù)的重要進(jìn)展

科學(xué)：多孔石墨烯電極技術(shù)的重要進(jìn)展

許多產(chǎn)品在日常生活中不能與電池分離，但電池的充電速度和使用時(shí)間一直受到批評(píng)。美國(guó)的中國(guó)科學(xué)家在最新一期的《美國(guó)科學(xué)雜志》上報(bào)道說(shuō)，他們已經(jīng)開發(fā)出一種多孔石墨烯復(fù)合電極技術(shù)，這是一種重要的電極材料。致力于開發(fā)充電速度快、續(xù)航力強(qiáng)的電池。

洛杉磯加利福尼亞大學(xué)的段向峰教授告訴記者，充電速度由功率密度決定，使用時(shí)間由能量密度決定。但對(duì)于大多數(shù)電池來(lái)說(shuō)，提高功率密度和提高能量密度往往是相互矛盾的，以多孔石墨烯為三維骨架結(jié)構(gòu)，納米顆粒Nb_2o_5均勻生長(zhǎng)在表面的復(fù)合電極可以同時(shí)達(dá)到快速充電和長(zhǎng)時(shí)間使用的目的。

對(duì)于需要充電一小時(shí)的手機(jī)電池，可以使用此電極將充電時(shí)間縮短到10分鐘，而不會(huì)大大降低電池容量。例如，他說(shuō)，我們以前可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)類似的快速充電，但通常伴隨著能量密度（使用時(shí)間）的顯著降低。

鋰離子電池是目前最受歡迎的電池類型，但其能量密度和其他性能被認(rèn)為接近極限。在過(guò)去的10年中，學(xué)術(shù)界的許多研究都集中在新的電極材料，特別是納米結(jié)構(gòu)的電極材料上。這些材料可以輸出高能量或?qū)崿F(xiàn)快速。在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了充電，但在商用設(shè)備中還沒(méi)有達(dá)到理想的性能。

石墨烯是一種由石墨材料中分離出的碳原子組成的二維晶體，具有良好的導(dǎo)電性，本研究采用三維多孔石墨烯結(jié)構(gòu)和五氧化二鈮作為電極材料，解決了相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，并將高電池容量與超低電流（ultr a）結(jié)合起來(lái)。實(shí)現(xiàn)了快速充放電。

段向峰說(shuō)：利用相似的原理，我們將三維多孔石墨烯與納米硅、硫等大容量納米材料復(fù)合。如果成功實(shí)施，預(yù)計(jì)電池容量將提高三到五倍以上，并進(jìn)一步增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間或電動(dòng)汽車行駛距離。

他說(shuō)，雖然還有許多細(xì)節(jié)需要改進(jìn)，生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，但這為實(shí)現(xiàn)大容量、大功率商用電池裝置提供了一個(gè)切實(shí)可行的藍(lán)圖。

對(duì)于電池而言，電極材料在電荷儲(chǔ)存中起著直接作用，而其他組分在電池性能中起著不可或缺的間接輔助作用。電極的容量與加載在電極上的活性材料的質(zhì)量成正比。更高的負(fù)載意味著更大的電荷存儲(chǔ)容量和更快的電荷傳輸容量。

納米結(jié)構(gòu)電極材料在高能量密度和高功率密度方面比傳統(tǒng)電極具有更多的優(yōu)勢(shì)，可以有效地提高比質(zhì)量容量和比放電容量。

問(wèn)題在于，商用電池電極材料需要至少10 mgcm-2的質(zhì)量負(fù)載，而實(shí)驗(yàn)室中的高效納米電極材料非常薄，質(zhì)量負(fù)載通常小于1 mgcm-2。

這是因?yàn)橘|(zhì)量負(fù)載越高，電荷轉(zhuǎn)移越困難。與質(zhì)量負(fù)載為1 mg cm-2的電極相比，10 mg cm-2電極上的電荷轉(zhuǎn)移路徑增加了10倍。為了保持相同的質(zhì)量比容量和電流密度，10 mg cm-2電極上的離子和電子的轉(zhuǎn)移速率騎行增加100倍，費(fèi)用轉(zhuǎn)移10倍以上。

此外，活性材料的高負(fù)載意味著其他組分的含量降低，導(dǎo)致低負(fù)載下存在的特殊電化學(xué)性能減弱，這兩個(gè)主要原因使得納米電極材料難以超過(guò)商用鋰離子電池的性能。

因此，有必要研制出電荷轉(zhuǎn)移能力更快的材料，使足夠的電荷通過(guò)較厚的電極，使納米電極材料真正走出實(shí)驗(yàn)室。

鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校向風(fēng)教授設(shè)計(jì)了一種三維多孔石墨烯/Nb2O5復(fù)合材料。在10mg-cm-2以上的高質(zhì)量負(fù)載和高電流密度條件下，可以控制多孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高電荷轉(zhuǎn)移效率，同時(shí)保持良好的電化學(xué)性能。

這種三維多孔石墨烯/Nb 2O-5納米復(fù)合電極的亮點(diǎn)在于它為離子和電子轉(zhuǎn)移提供了許多交聯(lián)和互連的快捷方式。

1）超高比表面積確保了Nb 2O 5納米粒子在不犧牲反應(yīng)效率和電子轉(zhuǎn)移的情況下能夠有效地加載。

3）多級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，確保離子擴(kuò)散速率高。石墨烯片之間的空隙為鋰離子的轉(zhuǎn)移提供了許多捷徑，進(jìn)一步減輕了電解質(zhì)在整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散極限。

在10C速率下，負(fù)載從1 mgcm-2增加到11 mgcm-2，質(zhì)量比容量幾乎沒(méi)有下降，對(duì)于負(fù)載11mgcm-2 Nb 2O 5 /hgf的納米復(fù)合電極，10C循環(huán)10000次后，容量保持率為90%，庫(kù)侖效率為99.9%。

在高負(fù)載和高電流密度下，三維多孔石墨烯/Nb2O5復(fù)合電極比石墨、硅、碳硅和碳硫正極具有更高的容量保持率，使納米電極材料更接近商品化。

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