多孔石墨烯复合材料可增强电极性能

近年来研究表明，纳米电极材料有望提供相当于现在商用锂离子电池数倍的能量或功率密度，但该材料此前只能在负载量极低的超薄研究型电极中达到其优异性能，难以在需要较高负载量的商用器件中实现其应有潜力。美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队最近研制出一种三维多孔石墨烯复合电极材料，成功地解决了电极性能随着负载量急剧下降的关键难题，使得制备高负载的高性能电极成为可能。相关研究成果美国时间11日发表在《科学》杂志上。

段镶锋近日接受科技日报记者采访时表示，虽然许多纳米材料在一些研究型器件中展现了优异的储能性能，但在此类器件中，电极活性材料负载量经常只有商业化器件中常用负载量的10%左右。由于极低的负载量，最终体现在整体器件中的容量或功率密度很难能较大幅度地超过现在的锂离子电池。如果只是简单地增加电极厚度，随着厚度的增加，电子输运电阻和离子扩散电阻都会显著增加，致使电极性能急剧下降。

该团队研发的三维多孔石墨烯复合材料中，高度联通的石墨烯网络结构提供了优异的电子传输特性，而其多层次孔结构则大大促进了离子的快速输运，从而使该材料在高负载电极中首次同时实现了较高的容量和极高的功率特性。“这标志着高性能电极材料在朝商用储能器件方向发展的道路上迈出了关键的一步。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明评论说。

段镶锋表示，这一方案可以适用于其他高性能电极材料，为在商业级器件中实现此类高性能储能材料的潜力提供了一个切实可行的途径，有望极大提高相关储能器件的容量和充放电速度。

汽车储能领域

电源、电控、电机是纯电动汽车的三大系统。目前，作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池，三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性，这为石墨烯的运用提供了广阔空间。

石墨烯在汽车电池中的应用

石墨烯是一类具有应用前景的锂离子电池负极材料，已经运用到汽车电池研究领域，西班牙一家以工业规模生产石墨烯的Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。石墨烯聚合材料电池的成本将比锂电池低77％，重量也仅为传统电池的一半。

2015年上半年，山东玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一条新型电池生产线，这款快充型锂电动力电池最大的特点就是加入了石墨烯，将电芯内阻减小到最小，有效地解决了阻碍锂电池产品快速充电的技术瓶颈，同时大大延长了电池寿命。目前已经投产，主打物流车和观光车市场一块加入石墨烯的“超能”电池，30分钟可充电至最大容量，配备在新能源汽车上续航里程最高可达400公里，并且电池重量大大减轻。

石墨烯在超级电容器中的应用

所谓超级电容，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。作为储能器件的一种，超级电容器在充放电过程中释放的能量巨大，但功率却只有同重量普通电容器的十分之一。由于超级电容器充放电过程是物理变化，与化学变化的锂电池充放电过程相比，超级电容器可以快成快放，不用担心损伤电池。因此业界专家认为其以上优势可以取代锂电池成功搭载在新能源汽车中。

南车株机2015年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车，

其采用7500F双电层超级电容，寿命长达10年，充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电，最大充电时间30秒，最快10秒便能完成充电。2015年10月9日，中国中车株洲电力机车有限公司对外发布消息，自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世。经院士专家组评审认定，其代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

石墨烯在储氢材料中的应用

在燃料电池领域，氢燃料是未来发展的方向。氢能源在汽车上的应用研究发展很快，通用汽车已推出的第三代燃料电池汽车，车速每小时已可达160km/h，续航里程400km。储氢材料的纳米化是提高储氢能力的一个重要方向。目前，用于储氢的材料，如镧镍系稀土、镁系合金等，价格非常昂贵。而石墨烯因具有纳米结构，同时成本相对较低，是储氢材料的较好选择。

目前，有关石墨烯储氢的实际研究结果与理论容量仍有一定距离。探索不同的石墨烯制备工艺，对石墨烯进行有效掺杂复合是以后石墨烯基储氢材料研究的重要方向。