美国华人科学家石墨烯电极技术取得重要进展！

日常生活中许多产品离不开电池，但电池的充电速度和使用时间始终遭人诟病。美国华人科学家在最新一期美国《科学》杂志上报告说，他们研制出一种多孔石墨烯复合电极技术，朝着研制充电速度快且续航能力强的电池迈近重要一步。

日常生活中许多产品离不开电池，但电池的充电速度和使用时间始终遭人诟病。美国华人科学家在最新一期美国《科学》杂志上报告说，他们研制出一种多孔石墨烯复合电极技术，朝着研制充电速度快且续航能力强的电池迈近重要一步。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授对新华社记者说，充电快慢由功率密度决定，使用时间长短由能量密度决定，但对于现在大部分电池，提高功率密度与提高能量密度通常相互冲突。而以多孔石墨烯为三维框架结构、表面均匀生长纳米颗粒五氧化二铌的方式制成的复合电极，能同时实现充电快和使用时间长这两个目标。

“对于一个需要充1小时电的手机电池，利用这个电极有可能把充电时间降到10分钟内，而电池容量并没有减少多少，”他举例说，“此前我们可能听说过类似快充，但一般伴随的是能量密度（使用时间）的大幅降低。”

锂离子电池是目前最主流的电池类型，但其能量密度等性能被认为已接近极限。过去10多年，学术界的很多研究集中在新的电极材料上，尤其是纳米结构电极材料。这些材料在实验中可输出很高的能量或实现快充，但在商用器件中却一直没办法达到理想性能。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的二维晶体，具有优异的导电性能。这项研究使用三维多孔石墨烯结构，加上五氧化二铌作为电极材料，较好地解决了相关技术难题，成功实现了较高电池容量和超快速充放电的组合。

段镶锋说：“利用类似原理，我们正在把三维多孔石墨烯与高容量纳米材料，如纳米硅、硫等复合，若成功实施有望在电池容量上实现3至5倍以上的改善，进一步增加手机待机时间或电动汽车的行驶距离。”

他说，虽然相关工作仍有很多细节需要完善，生产工艺也需进一步优化，但这“为实现高容量、高功率商用电池器件指出了一个切实可行的蓝图”。

对电池而言，电极材料对电荷储存起直接作用，其他元器件对电池性能起到不可或缺的间接辅助作用。电极容量和电极上负载的活性材料的质量成正比，更高的负载量意味着更大的电荷储存能力，同时也需要更快的电荷传递能力。

纳米结构电极材料在高能量密度和高功率密度方面都表现出比传统电极更大的优势，可以有效提高质量比容量和比率放电能力。

图1. 纳米硅电极使质量比容量提高10倍

图2. 纳米Nb2O5电极使质量比率放电能力提高10-100倍

问题在于：商业电池电极材料需要质量负载至少达到10 mg cm-2，而实验室做高效纳米电极材料都非常薄，质量负载往往不超过1 mg cm-2。

这是因为，质量负载量越高，电荷传输更难。对比质量负载量为1 mg cm-2的电极，10 mg cm-2电极上电荷传递路径增加了10倍。要想维持相同的质量比容量和电流密度，10 mg cm-2电极上离子和电子的传递速率要增加100倍，传递10倍以上的电荷。

另外，活性材料的高负载量意味着其他组成的含量减少，导致在低负载量上存在的特殊电化学性能的削弱。这2个主要原因导致纳米电极材料很难超过现有商业锂离子电池的性能（(~3 mAh cm−2, 4 mA cm−2）。

因此，必须开发具有更快速电荷传递能力的材料，使足够的电荷穿过较厚的电极，才能使纳米电极材料真正走出实验室。

图3. 最大化电极容量和最大化利用纳米材料电极

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋教授课题组设计了一种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔复合材料，可通过孔结构调控，在超过10 mg cm-2高质量负载和高电流密度的条件下实现高效的电荷传递，同时保持优异的电化学性能。

图4.三维多级多孔石墨烯/Nb2O5纳米复合材料制备示意图

这种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔纳米复合材料电极的亮点在于，为离子和电子传递提供了许多相互交联和相互贯通的捷径。

1）超高的比表面积，保证了可以在不牺牲反应效率和电子传递的情况下实现Nb2O5纳米颗粒的有效负载。

2）相互交联的石墨烯框架提供了优异的电子传递通道

3）多级多孔结构确保了高离子扩散速率，石墨烯片层之间的孔洞提供了大量捷径用于锂离子传递，并进一步缓解了电解质穿过整个多孔结构的扩散极限。

图5. 高质量负载量Nb2O5/HGF 纳米复合电极的性能

在10C速率条件下，负载量从1 mg cm-2 增加到11 mg cm-2，几乎不发生质量比容量的降低。对于负载量为11 mg cm-2 Nb2O5/HGF 的纳米复合电极，在10C条件下循环10000次，容量保持率为90%，库伦效率为99.9%。

在高质量负载量和高电流密度情况下，这种3D孔状石墨烯/ Nb2O5复合材料电极比石墨负极、Si负极、C-Si负极以及C-S正极具有更高的容量保持率，使纳米电极材料离商业化更近一步。

5月11日，清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明教授应《Science》（《科学》）编辑的邀请，与中国科学院金属研究所的李峰研究员对段镶锋教授的最新研究成果进行了评述，以“Charge delivery goes the distance”为题同期发表。

纳米电极材料在理论上具有很高的能量或功率密度，但一直难以商业化，因为其担载量难以提高，一般比商业化储能器件中常用的活性物质面密度小10倍。如果增加电极材料的厚度，则离子的扩散阻力显著增加，致使电极的性能急剧下降。因此，最终储能器件的面积容量或面积电流密度很难超越现有锂离子电池的水平。

5月11日著名学术刊物《Science》发表了美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队的最新研究成果，他们设计了一种三维多孔石墨烯-Nb2O5复合电极材料，其中高度联通的石墨烯网络结构具有优异的电子传输特性，而其层次孔结构则促进了离子的快速输运，从而使该材料在接近工业负载量的电极中同时实现了高容量和高功率特性。

由于TBSI 成会明教授在石墨烯和储能材料研究领域具有重要国际影响，《Science》编辑特邀他对段镶锋教授的研究成果发表评述。

在“Charge delivery goes the distance”一文中，成会明教授和李峰研究员首先阐述了活性材料面密度对电极容量的重要影响，分析了目前石墨、纳米硅、硅-碳、碳-硫等几种典型电极材料的现状，阐述了段镶锋教授发展的三维多孔石墨烯-Nb2O5复合电极材料的结构特征及电化学性能。

最后他们指出未来高性能储能材料和储能器件将向小型化、柔性化、智能化、集成化方向发展，不仅要开发高性能活性材料，而且要在电解质、隔膜、电极结构等方面全面创新，并将采用3D打印、全息图案化等新的制造技术，从而制造出高性能储能器件，使人类在不久的将来可在任何时候、任何地方自由地使用电能。

Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage. 

Science 2017, 356, 599-604.

http://science.sciencemag.org/content/356/6338/599.full

资料来源：新华网、纳米人等，烯碳资讯编辑整理，转载请注明出处