科學(xué)家研制多孔石墨烯電極，增加儀器待機時(shí)間

科學(xué)家研制多孔石墨烯電極，增加儀器待機時(shí)間

　　在當今這個(gè)科技時(shí)代，電成為我們日常生活中離不開(kāi)的能源，從手機、電腦到電動(dòng)汽車(chē)，尤其是儀器也需要結合電池電源的使用。但電池的充電速度和使用時(shí)間始終遭人詬病。現在，美國加州大學(xué)洛杉磯分校華人科學(xué)家段鑲鋒和黃昱團隊研制出一種多孔石墨烯復合電極，讓我們朝著(zhù)既充電速度快又續航能力強的電池“圣杯”邁近了一步。

　　段鑲鋒教授對筆者說(shuō)，充電快慢由功率密度決定，使用時(shí)間長(cháng)短由能量密度決定，但對于現在的大部分電池來(lái)說(shuō)，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構、表面均勻生長(cháng)納米顆粒五氧化二鈮制成的復合電極，提供了一個(gè)能同時(shí)實(shí)現兩個(gè)目標的方案。

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

　　鋰離子電池是目前最主流的電池類(lèi)型，但其能量密度等性能被認為已接近極限。過(guò)去十多年，學(xué)術(shù)界的很多研究集中在新的電極材料上，尤其是納米結構電極材料。這些材料在實(shí)驗中可輸出很高的能量或實(shí)現快充，但在商用器件中卻一直沒(méi)辦法達到其理想性能。

　　段鑲鋒解釋說(shuō)，電池是正、負極被隔膜分開(kāi)，并灌入電解液的結構，充放電就是離子與電子在兩個(gè)電極中轉移。正、負極有金屬薄膜，薄膜上涂有（負載）活性?xún)δ懿牧稀Ｌ幱谘芯侩A段的新型儲能材料一般只有極低負載的超薄電極中才能實(shí)現其優(yōu)異性能，隨著(zhù)材料厚度的增加，離子擴散的電阻也顯著(zhù)增加，導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(guò)現有的鋰離子電池。

　　石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的二維晶體，具有單原子厚度和優(yōu)異的導電性能。這項研究使用三維多孔石墨烯結構，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(zhù)負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)驗對象，通過(guò)對三維多孔石墨烯框架的調控，在高負載電極中成功實(shí)現了較高的容量和超快速充放電的組合。

　　段鑲鋒說(shuō)：“利用類(lèi)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、硫等復合，若成功實(shí)施有望在電池容量上實(shí)現3－5倍以上的改善，從而進(jìn)一步增加手機待機時(shí)間或者電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離。”

　　編輯點(diǎn)評

　　石墨烯是由碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的碳質(zhì)材料,其具有高導電性、超大理論比表面積和化學(xué)性能非常穩定等特點(diǎn),在超級電容器領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。而超強的續航能力將為儀器儀表帶來(lái)不可估量的品質(zhì)飛躍，使其具備更的穩定性和可移動(dòng)性。