科學：多孔石墨烯電極技術的重要進展

科學：多孔石墨烯電極技術的重要進展

許多產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間一直受到批評。美國的中國科學家在最新一期的《美國科學雜志》上報道說，他們已經開發出一種多孔石墨烯復合電極技術，這是一種重要的電極材料。致力于開發充電速度快、續航力強的電池。

洛杉磯加利福尼亞大學的段向峰教授告訴記者，充電速度由功率密度決定，使用時間由能量密度決定。但對于大多數電池來說，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構，納米顆粒Nb_2o_5均勻生長在表面的復合電極可以同時達到快速充電和長時間使用的目的。

對于需要充電一小時的手機電池，可以使用此電極將充電時間縮短到10分鐘，而不會大大降低電池容量。例如，他說，我們以前可能聽說過類似的快速充電，但通常伴隨著能量密度（使用時間）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為接近極限。在過去的10年中，學術界的許多研究都集中在新的電極材料，特別是納米結構的電極材料上。這些材料可以輸出高能量或實現快速。在實驗中進行了充電，但在商用設備中還沒有達到理想的性能。

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，具有良好的導電性，本研究采用三維多孔石墨烯結構和五氧化二鈮作為電極材料，解決了相關的技術問題，并將高電池容量與超低電流（ultr a）結合起來。實現了快速充放電。

段向峰說：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合。如果成功實施，預計電池容量將提高三到五倍以上，并進一步增加手機待機時間或電動汽車行駛距離。

他說，雖然還有許多細節需要改進，生產工藝需要進一步優化，但這為實現大容量、大功率商用電池裝置提供了一個切實可行的藍圖。

對于電池而言，電極材料在電荷儲存中起著直接作用，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量成正比。更高的負載意味著更大的電荷存儲容量和更快的電荷傳輸容量。

納米結構電極材料在高能量密度和高功率密度方面比傳統電極具有更多的優勢，可以有效地提高比質量容量和比放電容量。

問題在于，商用電池電極材料需要至少10 mgcm-2的質量負載，而實驗室中的高效納米電極材料非常薄，質量負載通常小于1 mgcm-2。

這是因為質量負載越高，電荷轉移越困難。與質量負載為1 mg cm-2的電極相比，10 mg cm-2電極上的電荷轉移路徑增加了10倍。為了保持相同的質量比容量和電流密度，10 mg cm-2電極上的離子和電子的轉移速率騎行增加100倍，費用轉移10倍以上。

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

因此，有必要研制出電荷轉移能力更快的材料，使足夠的電荷通過較厚的電極，使納米電極材料真正走出實驗室。

鑒于此，加州大學洛杉磯分校向風教授設計了一種三維多孔石墨烯/Nb2O5復合材料。在10mg-cm-2以上的高質量負載和高電流密度條件下，可以控制多孔結構，實現高電荷轉移效率，同時保持良好的電化學性能。

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

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

3）多級多孔結構，確保離子擴散速率高。石墨烯片之間的空隙為鋰離子的轉移提供了許多捷徑，進一步減輕了電解質在整個多孔結構中的擴散極限。

在10C速率下，負載從1 mgcm-2增加到11 mgcm-2，質量比容量幾乎沒有下降，對于負載11mgcm-2 Nb 2O 5 /hgf的納米復合電極，10C循環10000次后，容量保持率為90%，庫侖效率為99.9%。

在高負載和高電流密度下，三維多孔石墨烯/Nb2O5復合電極比石墨、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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