近年來(lái)研究表明，納米電極材料有望提供相當(dāng)于現(xiàn)在商用鋰離子電池數(shù)倍的能量或功率密度，但該材料此前只能在負(fù)載量極低的超薄研究型電極中達(dá)到其優(yōu)異性能，難以在需要較高負(fù)載量的商用器件中實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有潛力。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)最近研制出一種三維多孔石墨烯復(fù)合電極材料，成功地解決了電極性能隨著負(fù)載量急劇下降的關(guān)鍵難題，使得制備高負(fù)載的高性能電極成為可能。相關(guān)研究成果美國(guó)時(shí)間11日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

段鑲鋒近日接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，雖然許多納米材料在一些研究型器件中展現(xiàn)了優(yōu)異的儲(chǔ)能性能，但在此類器件中，電極活性材料負(fù)載量經(jīng)常只有商業(yè)化器件中常用負(fù)載量的10%左右。由于極低的負(fù)載量，最終體現(xiàn)在整體器件中的容量或功率密度很難能較大幅度地超過(guò)現(xiàn)在的鋰離子電池。如果只是簡(jiǎn)單地增加電極厚度，隨著厚度的增加，電子輸運(yùn)電阻和離子擴(kuò)散電阻都會(huì)顯著增加，致使電極性能急劇下降。

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的三維多孔石墨烯復(fù)合材料中，高度聯(lián)通的石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)異的電子傳輸特性，而其多層次孔結(jié)構(gòu)則大大促進(jìn)了離子的快速輸運(yùn)，從而使該材料在高負(fù)載電極中首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的容量和極高的功率特性。“這標(biāo)志著高性能電極材料在朝商用儲(chǔ)能器件方向發(fā)展的道路上邁出了關(guān)鍵的一步。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員成會(huì)明評(píng)論說(shuō)。

段鑲鋒表示，這一方案可以適用于其他高性能電極材料，為在商業(yè)級(jí)器件中實(shí)現(xiàn)此類高性能儲(chǔ)能材料的潛力提供了一個(gè)切實(shí)可行的途徑，有望極大提高相關(guān)儲(chǔ)能器件的容量和充放電速度。

汽車儲(chǔ)能領(lǐng)域

電源、電控、電機(jī)是純電動(dòng)汽車的三大系統(tǒng)。目前，作為電源的儲(chǔ)能裝置主要有鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這為石墨烯的運(yùn)用提供了廣闊空間。

石墨烯在汽車電池中的應(yīng)用

石墨烯是一類具有應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)極材料，已經(jīng)運(yùn)用到汽車電池研究領(lǐng)域，西班牙一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。石墨烯聚合材料電池的成本將比鋰電池低77％，重量也僅為傳統(tǒng)電池的一半。

2015年上半年，山東玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一條新型電池生產(chǎn)線，這款快充型鋰電動(dòng)力電池最大的特點(diǎn)就是加入了石墨烯，將電芯內(nèi)阻減小到最小，有效地解決了阻礙鋰電池產(chǎn)品快速充電的技術(shù)瓶頸，同時(shí)大大延長(zhǎng)了電池壽命。目前已經(jīng)投產(chǎn)，主打物流車和觀光車市場(chǎng)一塊加入石墨烯的“超能”電池，30分鐘可充電至最大容量，配備在新能源汽車上續(xù)航里程最高可達(dá)400公里，并且電池重量大大減輕。

石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

所謂超級(jí)電容，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。作為儲(chǔ)能器件的一種，超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中釋放的能量巨大，但功率卻只有同重量普通電容器的十分之一。由于超級(jí)電容器充放電過(guò)程是物理變化，與化學(xué)變化的鋰電池充放電過(guò)程相比，超級(jí)電容器可以快成快放，不用擔(dān)心損傷電池。因此業(yè)界專家認(rèn)為其以上優(yōu)勢(shì)可以取代鋰電池成功搭載在新能源汽車中。

南車株機(jī)2015年5月單批量交付的世界首列超級(jí)電容100%低地板有軌電車，

其采用7500F雙電層超級(jí)電容，壽命長(zhǎng)達(dá)10年，充放電次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次。列車每次進(jìn)站可快速充電，最大充電時(shí)間30秒，最快10秒便能完成充電。2015年10月9日，中國(guó)中車株洲電力機(jī)車有限公司對(duì)外發(fā)布消息，自主研制的新一代大功率石墨烯超級(jí)電容問(wèn)世。經(jīng)院士專家組評(píng)審認(rèn)定，其代表了目前世界超級(jí)電容單體技術(shù)的最高水平。

石墨烯在儲(chǔ)氫材料中的應(yīng)用

在燃料電池領(lǐng)域，氫燃料是未來(lái)發(fā)展的方向。氫能源在汽車上的應(yīng)用研究發(fā)展很快，通用汽車已推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時(shí)已可達(dá)160km/h，續(xù)航里程400km。儲(chǔ)氫材料的納米化是提高儲(chǔ)氫能力的一個(gè)重要方向。目前，用于儲(chǔ)氫的材料，如鑭鎳系稀土、鎂系合金等，價(jià)格非常昂貴。而石墨烯因具有納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)成本相對(duì)較低，是儲(chǔ)氫材料的較好選擇。

目前，有關(guān)石墨烯儲(chǔ)氫的實(shí)際研究結(jié)果與理論容量仍有一定距離。探索不同的石墨烯制備工藝，對(duì)石墨烯進(jìn)行有效摻雜復(fù)合是以后石墨烯基儲(chǔ)氫材料研究的重要方向。