石墨烯資料圖

從手機、電腦到電動汽車，我們日常生活中的許多產品都離不開電池，但電池的充電速度和使用時間始終遭人詬病。現在，美國加州大學洛杉磯分校華人科學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。

段鑲鋒教授對記者說，充電快慢由功率密度決定，使用時間長短由能量密度決定，但對于現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構、表面均勻生長納米顆粒五氧化二鈮制成的復合電極，提供了一個能同時實現兩個目標的方案。

“對于一個需要充一小時電的手機電池，利用這個電極有可能把充電時間降到10分鐘內，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為已接近極限。過去十多年，學術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。這些材料在實驗中可輸出很高的能量或實現快充，但在商用器件中卻一直沒辦法達到其理想性能。

段鑲鋒解釋說，電池是正、負極被隔膜分開，并灌入電解液的結構，充放電就是離子與電子在兩個電極中轉移。正、負極有金屬薄膜，薄膜上涂有（負載）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載的超薄電極中才能實現其優異性能，隨著材料厚度的增加，離子擴散的電阻也顯著增加，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現有的鋰離子電池。

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了離子的快速傳輸，從而成功解決了電極性能隨著負載量增加而急劇下降的關鍵難題。

研究人員以五氧化二鈮電極材料為實驗對象，通過對三維多孔石墨烯框架的調控，在高負載電極中首次成功實現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、硫等復合，若成功實施有望在電池容量上實現3－5倍以上的改善，從而進一步增加手機待機時間或者電動汽車的行駛距離。”