科学：多孔石墨烯电极技术的重要进展

科学：多孔石墨烯电极技术的重要进展

许多产品在日常生活中不能与电池分离，但电池的充电速度和使用时间一直受到批评。美国的中国科学家在最新一期的《美国科学杂志》上报道说，他们已经开发出一种多孔石墨烯复合电极技术，这是一种重要的电极材料。致力于开发充电速度快、续航力强的电池。

洛杉矶加利福尼亚大学的段向峰教授告诉记者，充电速度由功率密度决定，使用时间由能量密度决定。但对于大多数电池来说，提高功率密度和提高能量密度往往是相互矛盾的，以多孔石墨烯为三维骨架结构，纳米颗粒Nb_2o_5均匀生长在表面的复合电极可以同时达到快速充电和长时间使用的目的。

对于需要充电一小时的手机电池，可以使用此电极将充电时间缩短到10分钟，而不会大大降低电池容量。例如，他说，我们以前可能听说过类似的快速充电，但通常伴随着能量密度（使用时间）的显著降低。

锂离子电池是目前最受欢迎的电池类型，但其能量密度和其他性能被认为接近极限。在过去的10年中，学术界的许多研究都集中在新的电极材料，特别是纳米结构的电极材料上。这些材料可以输出高能量或实现快速。在实验中进行了充电，但在商用设备中还没有达到理想的性能。

石墨烯是一种由石墨材料中分离出的碳原子组成的二维晶体，具有良好的导电性，本研究采用三维多孔石墨烯结构和五氧化二铌作为电极材料，解决了相关的技术问题，并将高电池容量与超低电流（ultr a）结合起来。实现了快速充放电。

段向峰说：利用相似的原理，我们将三维多孔石墨烯与纳米硅、硫等大容量纳米材料复合。如果成功实施，预计电池容量将提高三到五倍以上，并进一步增加手机待机时间或电动汽车行驶距离。

他说，虽然还有许多细节需要改进，生产工艺需要进一步优化，但这为实现大容量、大功率商用电池装置提供了一个切实可行的蓝图。

对于电池而言，电极材料在电荷储存中起着直接作用，而其他组分在电池性能中起着不可或缺的间接辅助作用。电极的容量与加载在电极上的活性材料的质量成正比。更高的负载意味着更大的电荷存储容量和更快的电荷传输容量。

纳米结构电极材料在高能量密度和高功率密度方面比传统电极具有更多的优势，可以有效地提高比质量容量和比放电容量。

问题在于，商用电池电极材料需要至少10 mgcm-2的质量负载，而实验室中的高效纳米电极材料非常薄，质量负载通常小于1 mgcm-2。

这是因为质量负载越高，电荷转移越困难。与质量负载为1 mg cm-2的电极相比，10 mg cm-2电极上的电荷转移路径增加了10倍。为了保持相同的质量比容量和电流密度，10 mg cm-2电极上的离子和电子的转移速率骑行增加100倍，费用转移10倍以上。

此外，活性材料的高负载意味着其他组分的含量降低，导致低负载下存在的特殊电化学性能减弱，这两个主要原因使得纳米电极材料难以超过商用锂离子电池的性能。

因此，有必要研制出电荷转移能力更快的材料，使足够的电荷通过较厚的电极，使纳米电极材料真正走出实验室。

鉴于此，加州大学洛杉矶分校向风教授设计了一种三维多孔石墨烯/Nb2O5复合材料。在10mg-cm-2以上的高质量负载和高电流密度条件下，可以控制多孔结构，实现高电荷转移效率，同时保持良好的电化学性能。

这种三维多孔石墨烯/Nb 2O-5纳米复合电极的亮点在于它为离子和电子转移提供了许多交联和互连的快捷方式。

1）超高比表面积确保了Nb 2O 5纳米粒子在不牺牲反应效率和电子转移的情况下能够有效地加载。

3）多级多孔结构，确保离子扩散速率高。石墨烯片之间的空隙为锂离子的转移提供了许多捷径，进一步减轻了电解质在整个多孔结构中的扩散极限。

在10C速率下，负载从1 mgcm-2增加到11 mgcm-2，质量比容量几乎没有下降，对于负载11mgcm-2 Nb 2O 5 /hgf的纳米复合电极，10C循环10000次后，容量保持率为90%，库仑效率为99.9%。

在高负载和高电流密度下，三维多孔石墨烯/Nb2O5复合电极比石墨、硅、碳硅和碳硫正极具有更高的容量保持率，使纳米电极材料更接近商品化。

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