賴斯大學研究人員近期利用二氧化釩-石墨烯材料作為電動汽車鋰離子電池的正極（即陰極）材料，并在研究過程中發(fā)現(xiàn)其能夠?qū)崿F(xiàn)超高效的充放電速率，并且在多次充放電循環(huán)后仍能保持較高的可逆容量。相關技術論文已發(fā)表于美國化學學會（ACS）NanoLetters雜志上。

以單晶氧化釩與帶狀石墨烯作為鋰離子電池正極活性材料能夠在20秒內(nèi)實現(xiàn)完整的充電或放電過程。在以190C超高放電率狀態(tài)下循環(huán)1000次，電池仍能保持初始容量的90%，實驗數(shù)據(jù)顯示這是迄今為止循環(huán)性能最佳的正極材料。

目前電動汽車中的鋰離子電池發(fā)展的障礙之一就是離子與電子在電極材料中擴散緩慢。而目前研究人員利用一種有效的手段改善這一情況，通過減少電化學活性材料的特點尺寸，因為離子擴散時間與材料長度的平方成正比（t≈L2/D）。在這方面，納米材料包括納米線、納米管、納米粒子、納米石墨烯片、納米帶等形式的材料已被合成用來改善鋰離子電池的電化學性能。然而，未改性納米材料要同時具備高效離子及電流通路非常困難，因此納米材料達到的效果并不盡如人意。

為了進一步解決該問題，人們采用多種高導電三維架構作為納米材料的集電器。雖然通過該方法，電池在充放電速率和容量損失方面有所改善，不過該架構的缺陷在于會導致部分集電體質(zhì)量較高從而降低電池整體的能量密度（即單位體積電池釋放的電能）。另外，這種僅在實驗中采用的復雜結構運用到實際中將受到極大限制。

因此，萊斯大學研究人員利用單晶二氧化釩與石墨烯墊層構建三維架構，兼顧了高擴散效率與低分子質(zhì)量。

氧化釩-石墨烯正極材料在不同充放電速率下鋰離子電池的可逆容量

此材料具體的特點為：

1、多渠道進入電解質(zhì)，促進電極材料中的鋰離子快速擴散。

2、二氧化釩化學性質(zhì)決定了其較短的固態(tài)擴散長度，縮短了充放電所需時間。

3、基于石墨烯網(wǎng)絡架構，電極整體具有高導電性。

4、電極中的活性材料覆蓋率達84%。

這項材料能夠?qū)崿F(xiàn)快速的充電與放電過程。釩氧化物的化學性質(zhì)、能量密度及結構使它成為目前已知的作為有機層與水溶液鋰離子電池最好的活性材料。不過，由于該材料的電荷傳遞電阻較高，其循環(huán)性能較差。而加入了石墨烯材料后，該問題得以解決。

在實驗中，研究人員以不同二氧化釩含量比例（84%，78%，68%）來合成二氧化釩-石墨烯正極材料。在以78%二氧化釩含量合成的復合材料中，電池以1C速率放電時的可逆容量達到415毫安時/克。

另外，若以84C和190C放電速率（分別相當于43秒與19秒將電池充滿或放完電）進行1000次充放電循環(huán)時，該復合材料的可逆容量分別達到222及204毫安時/克。因此研究人員得出結論，二氧化釩-石墨烯材料能夠作為性能優(yōu)異的鋰離子電池正極材料。