日常生活中許多產(chǎn)品離不開電池，但電池的充電速度和使用時(shí)間始終遭人詬病。美國(guó)華人科學(xué)家在最新一期美國(guó)《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，他們研制出一種多孔石墨烯復(fù)合電極技術(shù)，朝著研制充電速度快且續(xù)航能力強(qiáng)的電池邁近重要一步。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授對(duì)新華社記者說，充電快慢由功率密度決定，使用時(shí)間長(zhǎng)短由能量密度決定，但對(duì)于現(xiàn)在大部分電池，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(zhǎng)納米顆粒五氧化二鈮的方式制成的復(fù)合電極，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電快和使用時(shí)間長(zhǎng)這兩個(gè)目標(biāo)?！皩?duì)于一個(gè)需要充1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)，而電池容量并沒有減少多少，”他舉例說，“此前我們可能聽說過類似快充，但一般伴隨的是能量密度（使用時(shí)間）的大幅降低?！?a href="/keywords/lilizi/" class = "seo-anchor" data-anchorid=121 target="_blank">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10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)到理想性能。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)，加上五氧化二鈮作為電極材料，較好地解決了相關(guān)技術(shù)難題，成功實(shí)現(xiàn)了較高電池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至5倍以上的改善，進(jìn)一步增加手機(jī)待機(jī)時(shí)間或電動(dòng)汽車的行駛距離。”他說，雖然相關(guān)工作仍有很多細(xì)節(jié)需要完善，生產(chǎn)工藝也需進(jìn)一步優(yōu)化，但這“為實(shí)現(xiàn)高容量、高功率商用電池器件指出了一個(gè)切實(shí)可行的藍(lán)圖”。研究成果：對(duì)電池而言，電極材料對(duì)電荷儲(chǔ)存起直接作用，其他元器件對(duì)電池性能起到不可或缺的間接輔助作用。電極容量和電極上負(fù)載的活性材料的質(zhì)量成正比，更高的負(fù)載量意味著更大的電荷儲(chǔ)存能力，同時(shí)也需要更快的電荷傳遞能力。納米結(jié)構(gòu)電極材料在高能量密度和高功率密度方面都表現(xiàn)出比傳統(tǒng)電極更大的優(yōu)勢(shì)，可以有效提高質(zhì)量比容量和比率放電能力。

5月11日，清華-伯克利深圳學(xué)院（TBSI）成會(huì)明教授應(yīng)《Science》（《科學(xué)》）編輯的邀請(qǐng)，與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的李峰研究員對(duì)段鑲鋒教授的最新研究成果進(jìn)行了評(píng)述，以“Chargedeliverygoesthedistance”為題同期發(fā)表。

納米電極材料在理論上具有很高的能量或功率密度，但一直難以商業(yè)化，因?yàn)槠鋼?dān)載量難以提高，一般比商業(yè)化儲(chǔ)能器件中常用的活性物質(zhì)面密度小10倍。如果增加電極材料的厚度，則離子的擴(kuò)散阻力顯著增加，致使電極的性能急劇下降。因此，最終儲(chǔ)能器件的面積容量或面積電流密度很難超越現(xiàn)有鋰離子電池的水平。

5月11日著名學(xué)術(shù)刊物《Science》發(fā)表了美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種三維多孔石墨烯-Nb2O5復(fù)合電極材料，其中高度聯(lián)通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電子傳輸特性，而其層次孔結(jié)構(gòu)則促進(jìn)了離子的快速輸運(yùn)，從而使該材料在接近工業(yè)負(fù)載量的電極中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高容量和高功率特性。

由于TBSI成會(huì)明教授在石墨烯和儲(chǔ)能材料研究領(lǐng)域具有重要國(guó)際影響，《Science》編輯特邀他對(duì)段鑲鋒教授的研究成果發(fā)表評(píng)述。

在“Chargedeliverygoesthedistance”一文中，成會(huì)明教授和李峰研究員首先闡述了活性材料面密度對(duì)電極容量的重要影響，分析了目前石墨、納米硅、硅-碳、碳-硫等幾種典型電極材料的現(xiàn)狀，闡述了段鑲鋒教授發(fā)展的三維多孔石墨烯-Nb2O5復(fù)合電極材料的結(jié)構(gòu)特征及電化學(xué)性能。

最后他們指出未來高性能儲(chǔ)能材料和儲(chǔ)能器件將向小型化、柔性化、智能化、集成化方向發(fā)展，不僅要開發(fā)高性能活性材料，而且要在電解質(zhì)、隔膜、電極結(jié)構(gòu)等方面全面創(chuàng)新，并將采用3D打印、全息圖案化等新的制造技術(shù)，從而制造出高性能儲(chǔ)能器件，使人類在不久的將來可在任何時(shí)候、任何地方自由地使用電能。