「老idea」三維石墨烯複合電極，段鑲鋒組依舊能發Science

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先扯一個題外話。記得幾年前，一條新聞「18歲美國姑娘發明充電神器，20秒完成手機充電」[1]被各種媒體報道。這當然只是一個典型的「標題黨」，我們在實驗室里吐槽「這不就是一個超級電容器么？」報道中說其能迅速充電，卻隻字不提能量密度。在儲能（主要指鋰電和超電）領域，充放電電流密度和電源的比能量密度一直是一對不可調和的矛盾，此消彼長，相愛相殺。

原因說起來很簡單。實際商用電池中，活性物質的負載量至少為10 mg/cm2，較厚的電極可以增加電池的整體比能量，卻減低了電池內部的離子擴散速度，從而難以實現大電流充放電，也縮短了電池的循環壽命；反之，薄電極能提高電流密度，卻降低了比能量。

能量密度vs. 功率密度。圖片來自網路。

不過，近日加州大學洛杉磯分校（UCLA）的段鑲鋒（Xiangfeng Duan）教授等研究人員在Science上發表文章，做出了重要的突破。他們設計了一種三維多孔石墨烯/氧化鈮（Nb2O5）複合物電極結構，不但可以提高電極的負載量，保證能量密度，還能夠有效的傳輸更多電荷，實現超高倍率能量儲存，使得製備高負載高性能的電極材料成為可能。該論文共同第一作者為Hongtao Sun和Lin Mei。

兩步法製備三維多孔石墨烯/氧化鈮（Nb2O5）複合材料。圖片來源：Science

先來看電極材料的兩步法製備過程。氧化石墨烯被分為兩部分，一部分用來負載活性物質（如氧化鈮Nb2O5），另一部分通過氧化刻蝕來造孔。再將兩部分石墨烯混合、還原，就可以得到高度互聯的三維石墨烯網狀結構。三維石墨烯中存在多層次孔，這些大孔和小孔促進了離子的運輸和擴散。

三種不同的多孔結構電極示意圖。圖片來源：Science

由於Nb2O5電導率的限制，想要實現高倍率充放電就只能使用薄膜電極或降低負載量（＜2 mg/cm2）。然而研究者設計的三維複合結構為離子和電子傳遞提供了許多相互交聯和相互貫通的捷徑：相互交聯的石墨烯框架提供了電子傳遞通道，多層次孔確保了離子擴散速率。同時，複合電極的電性能也超過同類材料。

不同氧化刻蝕時間條件下，複合電極的電性能測試。圖片來源：Science

由圖表可知，該電極可以在超高倍率條件下充放電，100 C的大電流幾乎沒有對電極造成任何不可逆的影響。同時，研究者在製備過程中沒有添加額外的導電添加劑或粘合劑，因此可以提高整電池的比能量密度。對比於其他商業常用的電極材料，其在高倍率充放電條件下的電性能優勢還是非常突出的。

Nb2O5複合電極材料容量對比。圖片來源：Science

該工作與其他常見商用電極材料的性能比較。圖片來源：Science

同一期的Science上還刊登了中國科學院金屬研究所的成會明院士和李峰研究員為該成果撰寫了一篇題為"Charge delivery goes the distance"的評論[2]，高度評價了這一發現，「這種高容量和高電流密度的良好結合前所未見，標誌著高性能電極材料在向商用儲能器件方向的發展道路上邁出了關鍵的一步。」

段鑲鋒教授。圖片來源：UCLA

愚竊以為，雖然本文成果離商用推廣還有頗多差距，但段鑲鋒教授課題組立足三維石墨烯複合電極這個「老idea」，從商業電極面臨的困難出發，材料設計、原理解釋都做得非常漂亮，稱得上是儲能領域研究論文的典範。

Three-dimensional holey-graphene/niobia composite architectures for ultrahigh-rate energy storage

Science,2017,356, 599-604, DOI: 10.1126/science.aam5852

參考資料：

2. http://science.sciencemag.org/content/356/6338/582

（本文由小希供稿）

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