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美国华人科学家:石墨烯复合纳米电极新进展 或
发布时间:2021-02-11 02:27    文章作者:优发国际

  美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授表示,充电快慢由功率密度决定,使用时间长短由能量密度决定,但对于现在大部分电池,提高功率密度与提高能量密度通常相互冲突。而以多孔石墨烯为三维框架结构、表面均匀生长纳米颗粒五氧化二铌的方式制成的复合电极,能同时实现充电快和使用时间长这两个目标。

  “对于一个需要充1小时电的手机电池,利用这个电极有可能把充电时间降到10分钟内,而电池容量并没有减少多少,”他举例说,“此前我们可能听说过类似快充,但一般伴随的是能量密度(使用时间)的大幅降低。”

  锂离子电池是目前最主流的电池类型,但其能量密度等性能被认为已接近极限。过去10多年,学术界的很多研究集中在新的电极材料上,尤其是纳米结构电极材料。这些材料在实验中可输出很高的能量或实现快充,但在商用器件中却一直没办法达到理想性能。

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的二维晶体,具有优异的导电性能。这项研究使用三维多孔石墨烯结构,加上五氧化二铌作为电极材料,较好地解决了相关技术难题,成功实现了较高电池容量和超快速充放电的组合。

  段镶锋说:“利用类似原理,我们正在把三维多孔石墨烯与高容量纳米材料,如纳米硅、硫等复合,若成功实施有望在电池容量上实现3至5倍以上的改善,进一步增加手机待机时间或电动汽车的行驶距离。”

  课题组设计了一种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔复合材料,可通过孔结构调控,在超过10 mg cm-2高质量负载和高电流密度的条件下实现高效的电荷传递,同时保持优异的电化学性能。

  这种三维孔状石墨烯/Nb2O5多孔纳米复合材料电极的亮点在于,为离子和电子传递提供了许多相互交联和相互贯通的捷径。

  超高的比表面积,保证了可以在不牺牲反应效率和电子传递的情况下实现Nb2O5纳米颗粒的有效负载;

  多级多孔结构确保了高离子扩散速率,石墨烯片层之间的孔洞提供了大量捷径用于锂离子传递,并进一步缓解了电解质穿过整个多孔结构的扩散极限。

  在10C速率条件下,负载量从1 mg cm-2 增加到11 mg cm-2,几乎不发生质量比容量的降低。对于负载量为11 mg cm-2 Nb2O5/HGF 的纳米复合电极,在10C条件下循环10000次,容量保持率为90%,库伦效率为99.9%。

  在高质量负载量和高电流密度情况下,这种3D孔状石墨烯/ Nb2O5复合材料电极比石墨负极、Si负极、C-Si负极以及C-S正极具有更高的容量保持率,使纳米电极材料离商业化更近一步。

  他说,虽然相关工作仍有很多细节需要完善,生产工艺也需进一步优化,但这“为实现高容量、高功率商用电池器件指出了一个切实可行的蓝图”。


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