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華人科學(xué)家研制多孔石墨烯電極 高容量快速充放電

經(jīng)濟(jì)參考報 2017-05-26 08:43:20

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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間始終遭人詬病?,F(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,提供了一個能同時實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)的方案。

“對于一個需要充一小時電的手機(jī)電池,利用這個電極有可能把充電時間降到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)時間或者電動汽車的行駛距離。”

責(zé)編 楊翼

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石墨烯

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