石墨烯資料圖

從手機(jī)、電腦到電動汽車，我們?nèi)粘Ｉ钪械脑S多產(chǎn)品都離不開電池，但電池的充電速度和使用時(shí)間始終遭人詬病。現(xiàn)在，美國加州大學(xué)洛杉磯分校華人科學(xué)家段鑲鋒和黃昱團(tuán)隊(duì)研制出一種多孔石墨烯復(fù)合電極，讓我們朝著既充電速度快又續(xù)航能力強(qiáng)的電池“圣杯”邁近了一步。

段鑲鋒教授對記者說，充電快慢由功率密度決定，使用時(shí)間長短由能量密度決定，但對于現(xiàn)在的大部分電池來說，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(jié)構(gòu)、表面均勻生長納米顆粒五氧化二鈮制成的復(fù)合電極，提供了一個(gè)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)的方案。

“對于一個(gè)需要充一小時(shí)電的手機(jī)電池，利用這個(gè)電極有可能把充電時(shí)間降到10分鐘內(nèi)，而電池容量沒有多少減少，”段鑲鋒說。

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(rèn)為已接近極限。過去十多年，學(xué)術(shù)界的很多研究集中在新的電極材料上，尤其是納米結(jié)構(gòu)電極材料。這些材料在實(shí)驗(yàn)中可輸出很高的能量或?qū)崿F(xiàn)快充，但在商用器件中卻一直沒辦法達(dá)到其理想性能。

段鑲鋒解釋說，電池是正、負(fù)極被隔膜分開，并灌入電解液的結(jié)構(gòu)，充放電就是離子與電子在兩個(gè)電極中轉(zhuǎn)移。正、負(fù)極有金屬薄膜，薄膜上涂有（負(fù)載）活性儲能材料。處于研究階段的新型儲能材料一般只有極低負(fù)載的超薄電極中才能實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能，隨著材料厚度的增加，離子擴(kuò)散的電阻也顯著增加，導(dǎo)致材料性能急劇下降，所以在商用器件上它們的性能很少能較大程度地超過現(xiàn)有的鋰離子電池。

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，具有單原子厚度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能。這項(xiàng)研究使用三維多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，不僅保持良好的電子傳輸性能，其上大大小小的納米孔也促進(jìn)了離子的快速傳輸，從而成功解決了電極性能隨著負(fù)載量增加而急劇下降的關(guān)鍵難題。

研究人員以五氧化二鈮電極材料為實(shí)驗(yàn)對象，通過對三維多孔石墨烯框架的調(diào)控，在高負(fù)載電極中首次成功實(shí)現(xiàn)了較高的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(fù)合，若成功實(shí)施有望在電池容量上實(shí)現(xiàn)3－5倍以上的改善，從而進(jìn)一步增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間或者電動汽車的行駛距離。”