日常生活中許多產品離不開電池，但電池的充電速度和使用時間始終遭人詬病。美國華人科學家在最新一期美國《科學》雜志上報告說，他們研制出一種多孔石墨烯復合電極技術，朝著研制充電速度快且續航能力強的電池邁近重要一步。
美國加利福尼亞大學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構、表面均勻生長納米顆粒五氧化二鈮的方式制成的復合電極，能同時實現充電快和使用時間長這兩個目標。
“對于一個需要充1小時電的手機電池，利用這個電極有可能把充電時間降到10分鐘內，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為已接近極限。過去10多年，學術界的很多研究集中在新的電極材料上，尤其是納米結構電極材料。這些材料在實驗中可輸出很高的能量或實現快充，但在商用器件中卻一直沒辦法達到理想性能。
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，具有優異的導電性能。這項研究使用三維多孔石墨烯結構，加上五氧化二鈮作為電極材料，較好地解決了相關技術難題，成功實現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、硫等復合，若成功實施有望在電池容量上實現3至5倍以上的改善，進一步增加手機待機時間或 電動汽車 的行駛距離。”
他說，雖然相關工作仍有很多細節需要完善，生產工藝也需進一步優化，但這“為實現高容量、高功率商用電池器件指出了一個切實可行的藍圖”。
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載的活性材料的質量成正比，更高的負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。
納米結構電極材料在高能量密度和高功率密度方面都表現出比傳統電極更大的優勢，可以有效提高質量比容量和比率放電能力。
圖1.納米硅電極使質量比容量提高10倍
圖2.納米Nb 2 O 5 電極使質量比率放電能力提高10-100倍
問題在于：
商業電池電極材料需要質量負載至少達到10mgcm -2 ，而實驗室做高效納米電極材料都非常薄，質量負載往往不超過1mgcm -2 。
這是因為，質量負載量越高，電荷傳輸更難。對比質量負載量為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，活性材料的高負載量意味著其他組成的含量減少，導致在低負載量上存在的特殊電化學性能的削弱。這2個主要原因導致納米電極材料很難超過現有商業 鋰離子電池 的性能。
因此，必須開發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，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授課題組設計了一種三維孔狀石墨烯/Nb2O5多孔復合材料，可通過孔結構調控，在超過10mgcm-2高質量負載和高電流密度的條件下實現高效的電荷傳遞，同時保持優異的電化學性能。
圖4.三維多級多孔石墨烯/Nb 2 O 5 納米復合材料制備示意圖
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效率和電子傳遞的情況下實現Nb 2 O 5 納米顆粒的有效負載。
2）相互交聯的石墨烯框架提供了優異的電子傳遞通道
3）多級多孔結構確保了高離子擴散速率，石墨烯片層之間的孔洞提供了大量捷徑用于鋰離子傳遞，并進一步緩解了電解質穿過整個多孔結構的擴散極限。
圖5.高質量負載量Nb 2 O 5 /HGF納米復合電極的性能
在10C速率條件下，負載量從1mgcm -2 增加到11mgcm -2，幾乎不發生質量比容量的降低。對于負載量為11mgcm -2 Nb 2 O 5 /HGF的納米復合電極，在10C條件下循環10000次，容量保持率為90%，庫倫效率為99.9%。
在高質量負載量和高電流密度情況下，這種3D孔狀石墨烯/Nb2O5復合材料電極比石墨負極、Si負極、C-Si負極以及C-S正極具有更高的容量保持率，使納米電極材料離商業化更近一步。
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