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石墨烯—Nb2O5納米復合材料:研發(fā)高能高效電池第一步

發(fā)布時間:2017-09-30 來源: 材料科技在線 專題: 材料研發(fā) 打印

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  納米材料在科學家眼里是種很有潛力的材料,尤其是在電池行業(yè),目前現(xiàn)有電池不能同時滿足高能量密度和高功率密度兩種條件,但納米材料有這種可能,現(xiàn)在研究人員已經(jīng)做出了初步的材料,這就是石墨烯--Nb2O5納米復合材料[Sun et al., Science (2017) 356, 599].

  納米結(jié)構(gòu)儲能材料受到超薄電極和低質(zhì)量負載的限制。但來自加利福尼亞大學,湖南大學,和沙特國王大學的研究人員,制備了三維多孔石墨烯網(wǎng)絡,加入Nb2O5后表現(xiàn)得類似于納米導電支架,克服了上述問題。相互連接的石墨烯結(jié)構(gòu)提供了電子傳輸?shù)目蚣?,而可調(diào)節(jié)的孔隙允許離子的快速移動。

  “通過系統(tǒng)設(shè)計石墨烯骨干中的孔隙度,復合結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電荷傳輸具有高容量和大電流密度的能力,” Duan說。“我們使電池的高性能電極材料獲得了較大突破。”

  多孔石墨烯框架在超級電容器中的應用已被報道,大面積是一個優(yōu)勢,但直到現(xiàn)在,厚電極的擴散限制被證明非常具有挑戰(zhàn)性。在新材料中,質(zhì)量載荷為10-20 mg/cm2時,互穿電子和離子輸運路徑的結(jié)合提供了較高的充放電速率。

  Duan解釋說:“在較厚的電極中,離子的質(zhì)量輸運極限和電子輸運的電阻變得越來越關(guān)鍵。”這些影響導致在高質(zhì)量負荷下,最先進的商用石墨、硅和碳/硅陽極以及碳/硫陰極中,容量保持率快速下降。   他補充說,在高功率密度下問題變得更糟糕。但由于石墨烯/ Nb2O5納米復合材料能夠更有效地提供電荷,促進電荷傳輸,即使是厚電極,高質(zhì)量負荷下容量保持率和電流密度依舊可以保持較高的數(shù)值。

  Yury Gogotsi,Drexel大學納米材料研究所主任,認為這項工作非常出色。由新的納米復合材料制成的電極,在實際有用的重量(11 mg/cm2)下仍然顯示出高速和高區(qū)域容量。

  他指出:“我們都希望在幾分鐘內(nèi),為我們的手機就和電動汽車充電。像這樣的多孔石墨烯Nb2O5復合材料具有很高的電子和離子導電率,可以提供高速能量儲存。”

  但在新的復合材料可以商業(yè)化應用之前,制備工藝仍然需要優(yōu)化,以便大規(guī)模生產(chǎn),他說:“繼續(xù)努力設(shè)計新的電極結(jié)構(gòu),可以進一步提高電荷傳輸速率,加速電池高級活性材料的開發(fā)。”

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