科學：多孔（kǒng）石墨烯電極技術的重要（yào）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（cháng）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《美國科學雜誌》上報道說，他們已經開發出一種多孔石墨烯複合電極（jí）技術，這是一種重要的（de）電極（jí）材料。致力於開發充電速度（dù）快、續航力強的電池。

洛杉磯（jī）加利福尼亞大學的段向峰教授告訴記者，充電（diàn）速度由功率密（mì）度決定，使用（yòng）時間（jiān）由能量密度決定。但對於大多數電池來說，提高功率密度（dù）和提高能（néng）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，納米顆粒Nb_2o_5均勻生長在（zài）表麵的複合電極可以同時達到快速充電和長時間使用的目的。

對（duì）於需（xū）要充（chōng）電一小時的手機電池，可以使用此電極將（jiāng）充電時間縮短到10分鍾，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（cháng）伴隨著能量密度（使用時間）的顯（xiǎn）著（zhe）降低。

鋰離子電池是目前最受歡迎的電池類型（xíng），但其能量密度和其他性能（néng）被認為接近極限。在過去的10年中，學術界的許多研究（jiū）都集（jí）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（gāo）能量或實現快（kuài）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（xìng）能。

石墨烯（xī）是一種由石墨材料（liào）中分離出的碳原子組成的二維晶（jīng）體，具有良（liáng）好的導電性，本研（yán）究采用三維多孔石墨烯（xī）結構和五氧（yǎng）化二铌作為電極材（cái）料，解決了相關的技術問題，並將高電池容量與超低電流（ultr a）結合起來（lái）。實現了快速充放電。

段向峰說：利（lì）用相似的原理，我們將三維多孔石墨烯與納米矽、硫等大容量納米材料（liào）複合（hé）。如果成功實施，預計（jì）電池容量將提（tí）高三到五倍以上（shàng），並進一步增加手機待機（jī）時間或電動汽車行（háng）駛距離（lí）。

他說，雖然還（hái）有許多細節（jiē）需要改進，生產工藝需要進一步優（yōu）化，但這為實現大容量、大功（gōng）率商（shāng）用電池裝（zhuāng）置提供了一個切實（shí）可行的藍圖。

對於電（diàn）池（chí）而言，電（diàn）極材料在電荷儲存中起著直接作用，而（ér）其他組分在電池性能中起著不可或缺的間接輔助作用。電（diàn）極的容量與加載在電極上的活（huó）性材料的質量成正比。更（gèng）高（gāo）的負載意味著更大的電（diàn）荷存儲容量和更快的電荷傳輸（shū）容量。

納米結構電極材料在高能（néng）量密度和高功率密度方麵（miàn）比傳統電極具有更多的（de）優勢，可以（yǐ）有效地提（tí）高比質（zhì）量容量和比放電容量。

問題在於，商用電池電極材料需要至少（shǎo）10 mgcm-2的質量負載，而實驗室中的高效納米電極材料非常（cháng）薄，質量負載（zǎi）通（tōng）常小於1 mgcm-2。

這（zhè）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（jí）上的電荷轉移路（lù）徑增加（jiā）了10倍。為了保持相同（tóng）的質量比容量和電（diàn）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（wèi）著其（qí）他組分的含（hán）量降低（dī），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（nà）米電極材料難以超過商（shāng）用鋰離子電池的性能。

因此，有必要研製出電荷轉移能力更快的（de）材料，使足夠的電荷通過較厚的電（diàn）極（jí），使納米電極材料真正走（zǒu）出實驗室。

鑒於此，加州大學洛杉磯（jī）分校向風教授設計了一種三維多（duō）孔石墨烯/Nb2O5複合材料。在10mg-cm-2以（yǐ）上的高質量負載和高電流密度（dù）條件下，可以控製多孔結構，實現高電荷轉移效（xiào）率，同時保持良好的（de）電化學性能。

這種（zhǒng）三維多孔石墨烯/Nb 2O-5納米複（fù）合電極的亮點在於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）超高比表麵積確保了Nb 2O 5納米粒子在（zài）不（bú）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（kuò）散速率高。石（shí）墨烯片之間的空隙為鋰（lǐ）離子的轉移提供了（le）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（xiàn）。

在10C速率下，負載（zǎi）從1 mgcm-2增加到11 mgcm-2，質（zhì）量（liàng）比容量幾乎沒有下降，對於負載11mgcm-2 Nb 2O 5 /hgf的納米複合（hé）電極，10C循環10000次後，容量保持率為90%，庫（kù）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複合電極（jí）比石墨、矽、碳矽和碳硫正極具有更高的容量保持率，使納米（mǐ）電極材料更接近（jìn）商品（pǐn）化。

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